Embed Size (px)
Citation preview
CARRETERA
REVISTA TÉCNICA DE LA ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE LA CARRETERA
Selección de artículos 2008
• Proyecto SCORE Balance final Juan José Potti
• Nanoemulsiones de betún y su interés para el reciclado en frío de mezclas bituminosas Didier Lesueur • Laetitia Herrero • Nuria Uguet • Javier Hurtado • José Luis Peña • Juan José Potti • Jean Walter • Ian Lancaster
• Estabilización de suelos con cal: actuaciones previas a su ejecución Rafael Fernández Aller
• Los impactos sobre el territorio, ocupación y fragmentación Justo Borrajo Sebastián
• Estudio comparativo de la fatiga de betunes y mezclas bituminosas Óscar Reyes Ortiz • Félix Pérez Jiménez • Rodrigo Miró Recasens • Alfredo Hernández Noguera
• Túneles con tuneladoras. Las mayores tuneladoras del mundo (I) Álvaro Fernández Cota • Enrique Fernández
• Túneles con tuneladoras. Las mayores tuneladoras del mundo (II) Santiago Serrano Pérez
Especial IRF
1
ARTÍCULOProyecto SCORE Balance final
RESUMEN
A pesar de las importantes medidas propuestas por la Comisión Europea, elevará el gasto en programas de I+D hasta alcanzar el 3% del producto interior bruto en el año 2010, para fomentar el desarrollo de la I+D en Europa, la situación actual no es buena cuando se compara con la de Estados Unidos o Japón. El Programa Marco de la Comisión hoy supone el 3,7% del presupuesto total de la Comisión Europea. Aunque el documento que maneja la Comisión no especifica aún cifras concretas, los expertos apuestan por un gasto 9.000 millones de euros anuales para el VII Programa Marco.
La I+D es la pieza clave del crecimiento económico y de mejora de la competitividad europea. Duplicar el gasto anual en I+D respecto al 6º Programa Marco, como propone el Comisario de Investigación Janez Potocnik, incre-mentaría las exportaciones hasta el 0,64% en 2030 y reduciría las importaciones en un 0,3%.
La foto de familia europea en términos de inversión en I+D no es especialmente afortunada. Cuando el objetivo se centra en el sector de la construcción y más concretamente en el de la construcción y conservación de carreteras la situación es sustancialmente peor.
Son escasas las referencias existentes en la actualidad de empresas europeas del sector de carreteras que dispon-gan de recursos y tradición en investigación, desarrollo e innovación (I+D+i). Para corregir esta situación, en mayor o menor medida todos los países europeos tratan de estimular estas iniciativas con soluciones diversas.
En este artículo se hará balance final de un proyecto que ha sido desarrollado durante el 5º Programa Marco y financiado por la Comisión Europea. El proyecto SCORE.
El objetivo final del proyecto SCORE (www.score-project.org) ha sido profundizar en el conocimiento de las mezclas bituminosas recicladas en frío, y conseguir optimizar la técnica. De este modo se posibilitaría una opción atractiva para los gestores de la conservación de las redes de carreteras europeas. El proceso de optimización cubre las técnicas convencionales de reciclado con emulsión, así como el desarrollo de procesos innovadores mediante el empleo de la espuma de betún y de emulsiones micronizadas (o nanoemulsiones).
El proyecto plantea un enfoque sistemático que cubre todas las etapas desde la caracterización de los materiales componentes hasta la puesta en obra de la mezcla final y la valoración coste/beneficio desde los puntos de vista técnico, económico y medioambiental.
Palabras clave: Reciclado, Emulsión, Nanoemulsión, Reciclado en frío, Espuma de betún, Ligante bituminoso, SCORE.
Juan José POTTI Gerente de ASEFMA (Asociación Española de Fabricantes de Mezclas Asfálticas) y Coordinador del proyecto SCORE (Director Técnico de Probisa durante el proyecto)
Este artículo ha sido publicado por la revista francesa REVUE GÉNÉRALE DES ROUTES ET DES AÉRODROMES en su número 855, de febrero de 2007, páginas 77 a 85 inclusive, y se edita ahora en CARRETERAS gracias al Convenio de
Colaboración suscrito entre ambas publicaciones.
Especial IRF
2
ARTÍCULO
Antecedentes
A lo largo de los siete artículos anteriores
aparecidos en esta publicación se han
abordado aspectos concretos del
Proyecto SCORE(I a VIII). Las organizaciones
integrantes del proyecto, reparto de tareas
y otros aspectos ya han sido descritos. En
este artículo se realizará un balance global.
El Proyecto SCORE estuvo enmarcado
dentro del 5º Programa Marco de
Investigación y Desarrollo de la
Comisión Europea (Contrato nº G1RD-
CT-2002-00742), técnicas de construcción
medioambientalmente favorables (“EFCT- Environmentally Friendly Construction Technologies”). El título completo del
proyecto de investigación fue: Reciclado en Frío Optimizado basado en las ventajas de las microemulsiones bituminosas y la espuma de betún. Un sistema EFCT para la conservación y rehabilitación de carreteras.
El objetivo global del Proyecto era avanzar
en los campos del diseño, caracterización
del material, ejecución y comportamiento
del reciclado en frío de mezclas bituminosas
como técnica de conservación y
rehabilitación de carreteras.
La técnica de reciclado in situ tiene
como objetivo el aprovechamiento de los
materiales deteriorados de la carretera sin
trasladarlos a una central de fabricación,
mediante el fresado o disgregación del
material a tratar, s eguido de la mezcla
íntima de este material con un ligante
bituminoso, agua, y árido de aportación
y aditivos en su caso; y de la extensión
y compactación del material resultante. Todas estas
operaciones se realizan sobre el terreno.
En el año 2003, poco después de iniciado el proyecto
SCORE, la Asociación Mundial de la Carretera AIPCR
a través del Comité Técnico 7/8 Firmes viarios bajo
la dirección de Jean-François Corté presentó un
documento sobre el Reciclado in situ en frío con emulsión o con espuma de betún («Retraitement en place à froid à l’émulsion ou à la mousse de bitume»)(IX).
Este documento se desarrolló gracias al trabajo de una
comisión de 8 miembros y colaboradores de varios
países (Estonia, Canadá, Noruega, Estados Unidos
y Japón). Yo tuve el privilegio de participar dentro
del grupo de trabajo de redacción junto a otros siete
colegas de varios países.
Una de las conclusiones de ese informe fue la constatación
del escaso grado de desarrollo de esta técnica a nivel
mundial y la necesidad de potenciar las estrategias que
minimicen los residuos que generan las actividades de
construcción y conservación de carreteras.
El documento Reciclado in situ en frío con emulsión o con espuma de betún planteaba una serie de limitaciones
Foto 1. Una de las actuaciones de difusión de resultados y valorización del proyecto SCORE, tal y como se recogió en la prensa local de Andalucía.
Especial IRF
3
ARTÍCULO
muy concretas de la técnica, se podrían
resumir en siete apartados:
• 1. Calidad de los materiales a reciclar,
• 2. Calidad del firme,
• 3. Presencia de materiales que
impidan fresar,
• 4. Presencia de dificultades que
impidan fresar,
• 5. Limitaciones climáticas,
• 6. Limitaciones por comportamiento
mecánico, y
• 7. Limitaciones derivadas de la
protección.
El proyecto SCORE ha tratado de
dar respuesta a todas y cada una
de estas limitaciones. En los siete
artículos precedentes se ha tratado de
reflejar algunos aspectos concretos
desarrollados dentro del proyecto(I a VIII).
PArticiPAción y difusión del conocimiento generAdo
Proyectos como SCORE, más de 300
hombres-mes de dedicación, permiten
concentrar grandes esfuerzos. La rentabilidad de estos
proyectos con tantos socios depende de la competencia,
complementariedad, confianza y grado de implicación en
el desarrollo de esa técnica de los socios.
La figura del Comité de Orientación, miembros expertos
internacionales ajenos a los socios participantes, han
permitido unir la I+D con las estrategias del sector y
difusión de resultados (ver Foto 1).
Las colaboraciones reales con los socios adecuados
superan siempre las mejores expectativas iniciales.
Un proyecto de I+D+i no debería depender su desarrollo
de la obtención o no de subvenciones o desgravaciones
fiscales. Cualquier proyecto que para su desarrollo parte
de esta premisa es un pobre proyecto. El desarrollo en
I+D+i debe partir de la convicción que desde la inversión
en recursos de investigación y desarrollo se mejora la
competitividad, se favorece el crecimiento económico y
el bienestar social.
Todos y cada uno de los socios industriales que han
participado en SCORE han valorado las posibilidades
de mejora en términos técnicos y económicos. En este
punto, es evidente que gracias a la subvención obtenida
por la Comisión Europea, el 50% de los gastos, el
balance económico se hace más favorable.
SCORE ha sido un proyecto que va a permitir un mayor
y más rápido grado de desarrollo europeo de la técnica
del reciclado de pavimentos bituminosos con ligantes
bituminosos. Gracias a un proyecto de investigación
con organizaciones de varios países europeos las
experiencias se difundirán más rápidamente. La
ejecución de los tramos de ensayo en tres países
europeos: España, Francia y Chequia(V,VII), permitirá
promocionar la técnica en Europa.
Pais
Materiales disponibles (toneladas)
Porcentaje utilizado en reciclado en
caliente
Porcentaje utilizado en reciclado
en frío
Porcentaje de la producción de mezclas
nuevas conteniendo
reciclado
Austria 550 000 10 10
Bélgica 1 500 000 40 36
República
Checa425 000
Dinamarca 218 000 83 48
Francia 6 500 000 13 <2 <10
Alemania 14 000 000 82 18 60
Hungría 15 0 0,6
Irlanda 36 000 36 0 1,5
Italia 14 000 000 18 7
Holanda 3 000 000 75 63
Noruega 406 000 23 20 10
Polonia 1 080 000 4 55 0,1
Eslovaquia 123 000
Eslovenia 22 000 50 15
España 2 250 000 8 4 3,5
Suecia 750 000 40 60 35
Suiza 600 000 50 50
Reino Unido 4 500 000
Japón 71,4
Ontario -
Canadá3 000 000 60 0
Venezuela 0 0
Tabla 1. El reciclado de materiales de carreteras en Europa y en el Mundo (fuente EAPA, Asphalt in Figures 2005).
Especial IRF
4
ARTÍCULO
El objetivo final del proyecto SCORE (www.score-
project.org) era profundizar en el conocimiento
de los materiales asfálticos reciclados en frío,
y conseguir optimizar la técnica de modo que
constituya una opción atractiva para los gestores
de la conservación de redes de carreteras
europeos.
Lamentablemente la situación actual en Europa
dista mucho de ese objetivo. Según la estadística
elaborada por la European Asphalt Pavement Association (EAPA) sobre los datos del año 2005
(ver Tabla 1), las toneladas disponibles de ser
recicladas en los diferentes países europeos
superan los 40 millones de toneladas. En diez
de los 18 países, que han ofrecido datos a esta
estadística, el empleo del reciclado en frío es
inexistente. En la actualidad sólo se recicla en frío
en Austria, Francia, Alemania, Noruega, Polonia,
España, Suecia y Suiza, según esta información.
Las principales ventajas que presenta la técnica del
reciclado en frío desde el punto de vista ambiental son:
• Economía de transporte, dado que el aporte de nuevos
materiales es limitado,
• Economía de energía, al tratarse de una técnica en
frío, que no necesita del calentamiento de materiales
componentes,
• Economía de recursos naturales, mediante el
aprovechamiento de los materiales existentes en la
carretera. Especialmente relevante es la reducción en
la utilización de áridos minerales, cuya producción en
canteras y/o graveras implica impactos importantes.
También se reduce la cantidad de betún asfáltico
necesaria respecto a la ejecución de una mezcla
bituminosa no reciclada,
• Reducción de vertidos, y
• Reducción de riesgos de ejecución, y de emisiones
contaminantes inherente a las técnicas en frío.
Todos estos argumentos, sin duda atractivos, chocan
con la realidad actual. El grado de empleo del reciclado
en frío como técnica de rehabilitación en Europa es muy
escaso.
Las limitaciones a la técnica expresadas en el trabajo de
la AIPCR(IX) y los argumentos expresados por el Comité
de Orientación del proyecto SCORE han sido tenidos
muy en cuenta para establecer la orientación adecuada
a los programas de trabajo de las tareas que componen
el proyecto.
AlgunAs resPuestA de score A lAs limitAciones de lA técnicA
El proyecto SCORE ha tratado de dar respuesta a todas
y cada una de las limitaciones de la técnica que se han
descrito en el documento de la AIPCR.
1. Calidad del firme y de los materiales a reciclar
Para poder definir adecuadamente los requisitos de
calidad de los materiales a reciclar y de calidad del
firme es preciso profundizar en la influencia que tiene el
tamaño de las partículas de material fresado obtenido
durante el proceso de reciclado. En la tarea primera
del proyecto, Efecto sobre los tamaños de partículas,
se han cuantificado los parámetros fundamentales
(velocidad de avance, profundidad, velocidad de giro,
número de picas, etc..) Este trabajo ha sido abordado
en las publicaciones primera y cuarto de esta serie de
artículos (Foto 2)(V).
Uno de los objetivos del proceso de disgregación del firme
debe ser reducir al mínimo las partículas superiores a 25
mm. En el análisis previo del estado de las capas del firme
es fundamental conocer el nivel de adherencia entre las
capas del firme para poder predecir el nivel de disgregación
que se puede alcanzar. Esta es una conclusión muy
interesante obtenida por el Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) en la tarea 1(V).
Foto 2. Ejemplo de material procedente de un fresado en España obtenido en uno de los ensayos del proyecto SCORE
Especial IRF
5
ARTÍCULO
En situaciones donde se aprecia un despegue parcial de
las capas a reciclar y especialmente si la capa superior
esta muy agrietada es conveniente realizar alguna de
estas medidas o las tres, según la situación planteada:
• un fresado previo de ambas capas con un tambor
dotado de suficiente número de picas,
• reducir la velocidad de avance y/o aumentar la velocidad
de rotación del tambor (Figura 1), y
• no reciclar menos de 8 centímetros de espesor de
pavimento
Un aspecto destacado de la investigación de los
diferentes materiales procedentes del fresado
analizados en el proyecto Score ha sido su diferente
reactividad(X). En general, cuando se habla de
reciclado se suele aludir a la importancia del grado de
envejecimiento del ligante de la mezcla a reciclar. Este
aspecto se abordará más adelante. En el proyecto se
ha constatado la diferente reactividad que presentan
los fresados. Este aspecto ha sido abordado en la
cuarta comunicacion.
Se ha desarrollado un método para evaluar la reactividad
(ver Foto 3) y disponer así de un criterio técnico para
establecer la formulación de la emulsión más adecuada(X).
Se ha verificado que los reciclados con espuma de betún
son menos sensibles a la naturaleza de los fresados y a
los parámetros de formulación que los reciclados con
emulsión convencional o con nanoemulsión(IV).
Se han analizado y realizados tramos
experimentales en dos países
europeos que ofrecen quizás fresados
con las características más extremas:
• En España, con mezclas bituminosas
con un contenido de ligante del 4 al
5 % y alto grado de envejecimiento,
penetración a 25ºC inferior a 10 1/10
mm y temperatura de anillo y bola de
70 a 80ºC (Foto 4), y
• En Chequia con fresados
procedentes de mezclas bituminosas
con un contenido de ligante del 5,8 al
8 % y un menor grado de
envejecimiento, penetración a 25ºC
de 25 1/10 mm y temperatura de
anillo y bola de 50 a 55ºC(VII).
Este rango de característica puede
abarcar las características de los fresados que se pueden
obtener en la mayor parte de los países europeos.
Tanto a nivel de laboratorio como en los tramos
experimentales se ha observado que el grado de
envejecimiento del fresado no ha tenido una influencia
directa en las propiedades mecánicas de la mezcla(VI, VII).
Figura 1. Efecto de la velocidad de avance del equipo de fresado (FES = 2 a 6 m/min) y de la velocidad de rotación del tambor (RS = 130 a 200 rpm) en la granulometría del pavimento
bituminoso fresado que proviene de un espesor de 10 centímetros en Ždár (República Checa) .
Diámetro (mm)
Foto 3. Equipo de ensayo para evaluar la reactividad empleado en el proyecto SCORE
Pa
sa (
%)
Especial IRF
6
ARTÍCULO
2. Regeneración del ligante envejecido
Otro asunto que ha sido abordado en SCORE ha
sido el análisis científico de las posibles interacciones
entre el ligante viejo y el betún nuevo(I). ¿Hasta que
punto un ligante envejecido puede rejuvenecer por la
aportación de un agente rejuvenecedor? ¿Y cuánto
tiempo es necesario? Los posibles resultados de esta
tarea establecerían algunas pautas sobre la elección del
nuevo ligante. De este asunto se ha tratado en la primera
publicación de esta serie de artículos(I).
El trabajo se ha realizado analizando la cinética de difusión
entre el ligante viejo y el nuevo. Esta tarea se ha efectuado
a través de medidas reológicas. Una capa de ligante viejo
y otra del nuevo, se colocan en cada plato de un reómetro
del tipo platoplato. El módulo del sistema se estudia
como una función del tiempo
y puede interpretarse en
términos de los parámetros
de difusión. En paralelo, se
miden directamente cinéticas
de difusión en mezclas para
ver cómo los resultados a
nivel teórico son aplicables a
la situación real.
La variable a analizar es el
aumento del módulo aparente
medido por DSR de un material
bicapa, como consecuencia
de la difusión de una capa
de 0,1 mm de espesor de
betún de penetración 400
1/10 mm en una segunda capa de 0,2 mm de
espesor de betún 15 1/10 mm de penetración
artificialmente envejecido. La difusión se pone
en evidencia muy lentamente, para tiempos
superiores a las 30 horas y a 80 ºC(I). Se han
realizado dos ensayos, y el método de análisis
reproduce bastante bien. Sin embargo, a esta
temperatura, la difusión es muy lenta.
Estos y otros experimentos han puesto de
manifiesto que a temperatura ambiente la
velocidad de difusión de un betún blando en
un betún envejecido es extraordinariamente
lenta, tanto como para pensar que en estas
condiciones el tiempo necesario para que se
realice la difusión, la regeneración del ligante
envejecido, ¡¡excede el periodo de servicio de
la mezcla reciclada!!
Una aportación muy interesante al proyecto
ha sido la posibilidad de añadir aceites regenerantes
al fresado, previamente a su empleo(I). El periodo
óptimo es un tiempo de espera de una semana, lo que
impide su aplicación en el reciclado in situ pero lo hace
perfectamente viable en el reciclado en central.
Una aportación moderada de aceite regenerante, en
torno al 0,1 por ciento del fresado seco siete días antes
de su empleo y el empleo de un ligante más duro en la
formulación de la emulsión junto con una adición de cal
o cemento en cantidades inferiores al 1% han permitido
obtener mezclas con mejores propiedades mecánicas.
3. Limitaciones climáticas
Una de las limitaciones actuales del reciclado en frío es la
sensibilidad al agua y escasa cohesión inmediatamente
Foto 4. Tramo experimental realizado con motivo del proyecto SCORE en Moguer (Huelva).
Figura 2. Comparación de las granulometrías de una emulsión convencional de tipo lento y de una nanoemulsión.
Granulometría
Fra
cc
ión
vo
lum
étr
ica
(%
)
Vmin (3,6 m/min)
Vmed (8,0 m/min)
Emulsión lenta convencional
Nanoemulsión
Diámetro (micras)
Especial IRF
7
ARTÍCULO
inicial y final un ligante duro da mejor cohesión que un
ligante blando.
Por otro lado la aportación de un filler activo, 0,5-1%
cemento, mejora muy notablemente tanto la cohesión
inicial como la resistencia conservada y el módulo
sin perder su flexibilidad. Este desarrollo ha permitido
extraer testigos de obra ¡¡sólo tres semanas después de
reciclado el pavimento!!
El objetivo de la adición de un 0,5-1% de cemento es similar
al efecto del cemento en las lechadas bituminosas:
• Acelerar el proceso de rotura, mediante un cambio brusco
de pH. Esto provoca una mejora de la cohesión inicial,
• Reducir el contenido en agua de mezcla. Esto provoca
un aumento de la densidad de la mezcla y un aumento
de las propiedades mecánicas,
• Aumento de la Resistencia conservada. De 10 a 15 puntos
para un mismo contenido de ligante, y
• Aumento del módulo de elasticidad. Hasta un 30% para
un mismo contenido de humedad.
La cohesión inicial es un aspecto crítico en la velocidad
de apertura al tráfico y en la posibilidad de que el proceso
después de su
puesta en obra. Esta
situación se agrava
bajo condiciones
c l i m a t o l ó g i c a s
adversas, alta
humedad y baja
temperatura.
En el proyecto Score
se ha empleado
por primera vez
una nanoemulsión
bituminosa(III a VIII).
La nanoemulsión
bituminosa es una
emulsión bituminosa
con una distribución de
tamaños de partículas
más baja que una
emulsión bituminosa
convencional (ver
Figura 2) y cuyo
diámetro medio es
similar o inferior a una
micra. Esta reducción
del tamaño de partícula
trae como consecuencia una mayor superficie específica
de la nanoemulsión lo que se traduce en una mayor
capacidad de envuelta.
Dicho de otro modo, con el mismo contenido de ligante
residual la sensibilidad al agua es inferior. Esta observación
ha sido constatada a bajos y muy bajos contenidos de
ligante residual(III).
Para poder ser menos dependientes de las condiciones
climáticas, el objetivo es recuperar la cohesión inicial de
la mezcla. En la doctrina convencional se suponía que un
ligante blando o un agente rejuvenecedor era la solución
más adecuada. Los datos aportados en los párrafos
anteriores ponen en cuestión su necesidad desde el
punto de vista de la recuperación del envejecimiento
de ligante. Además, y desde la óptica de la cohesión
Figura 3. Efecto de distintos parámetros de formulación de espumas de betún realizadas con 4 betunes distintos, sobre su volumen de expansión máximo (REmax) y sobre su tiempo de vida.
Vo
lum
en
de
exp
an
sió
n m
áxi
mo
ER
ma
x
Tiempo de media vida
Method of compaction
Initial density (g/cm3)
1 2,01
2 1,85
3 1,87
4 2,02
Tabla 2. Densidades iniciales según modo de compactación(VII).
Tiempo de media vida
Tiempo de media vidaTiempo de media vidaVo
lum
en
de
exp
an
sió
n m
áxi
mo
ER
ma
x
Vo
lum
en
de
exp
an
sió
n m
áxi
mo
ER
ma
xV
olu
me
n d
e e
xpa
nsi
ón
má
xim
o E
Rm
ax
Especial IRF
8
ARTÍCULO
de reciclado sea menos dependiente de las condiciones
climáticas.
Una limitación de la técnica era la imposibilidad de extraer
testigos de obra hasta varios meses después. Gracias
a los desarrollos aquí detallados esta situación ha
evolucionado mucho y en el caso de la carretera A-494,
San Juan del Puerto – Matalascañas (Foto 4)(VII), se
pudieron extraer testigos de la obra 4 semanas después
de realizada la obra. Esto confirma un incremento
de la cohesión inicial pero también la posibilidad de
caracterizar mecánicamente la mezcla, la evolución de
las propiedades mecánicas y la adherencia entre capas.
4. Comportamiento mecánico de la mezcla
En las tareas 6 y 7: Diseño de mezcla y Caracterización mecánica se han abordado aspectos fundamentales
de la técnica. Es preciso diseñar y caracterizar
adecuadamente la mezcla final; los ensayos actuales de
diseño no son adecuados.
La carga aplicada en el ensayo de inmersión-compresión
español y en el ensayo Duriez francés es mucho más
alta que la carga aplicada en obra. Es tan alta que
en laboratorio se podría diseñar mezclas recicladas
sin ligante y ¡¡superar las especificaciones mínimas
requeridas!!
En los ensayos realizados en el reciclado con espuma
de betún se ha puesto en evidencia que las medidas
de caracterización habituales, volumen de expansión y
tiempo (Figura 3), no se han podido correlacionar con las
propiedades mecánicas del
material reciclado(II, IV).
Las modificaciones de las
condiciones de fabricación
de la espuma no han afectado
de manera significativa a las
propiedades mecánicas
finales.
En los tramos experimentales
realizados en España, en
la A-494, se han realizado
cuatro sistemas de
compactación diferentes,
descritos en el último artículo
de esta serie(VII), que han
permitido establecer ciertas
diferencias en la densidad
inicial (Tabla 2).
Desde el punto de vista de la regularidad del firme,
el reciclado in situ realizado con los equipos actuales
permite una mejora muy significativa. La Tabla 3 y la Figura
ANTES DE RECICLAR
Tramo IRI Carril izquierdo IRI Carril derecho
1 2,416 2,826
2 2,126 2,758
3 2,534 3,318
4 2,940 3,517
5 3,087 3,367
6 2,329 3,203
7 3,458 3,303
8 3,744 4,109
9 2,813 2,841
10 2,947 2,613
DESPUES DE RECICLAR
Tramo IRI Carril izquierdo IRI Carril derecho
1 1,264 1,264
2 1,174 1,892
3 1,665 1,544
4 2,094 2,252
5 1,823 1,962
6 1,310 1,310
7 1,444 1,500
8 1,743 2,857
9 1,981 1,873
10 1,517 1,674
Tabla 3. Resultados del IRI antes y después del reciclado in situ efectuado en la A494 (mismos datos que la figura 4).
RI: Carril izquierdo; RD: Carril derecho, (a) antes, (b) después de realizar el recicado in situ.Figura 4. Resultados del IRI antes y después del reciclado in situ efectuado en la A494 (mismos datos
que la tabla 3)
Tramo ensayo
Especial IRF
9
ARTÍCULO
4 muestran la reducción en el valor del IRI obtenido en los
diez tramos de ensayo. Se han obtenido reducciones
superiores a un punto y próximas a los dos puntos en el
valor del IRI, partiendo de valores próximos a 3.
Otro aspecto clave es el grado de adherencia que se
obtiene después del reciclado in situ realizado con
equipos que efectúan simultáneamente la operación de
fresado y la de extensión del material reciclado y que por
tanto no realizan un riego de adherencia.
Siguiendo el método alemán de medida de la adherencia
entre mezclas descrito en el esquema adjunto de la
Figura 5, se han medido la adherencia entre capas de 16
testigos correspondientes a 5 tramos de ensayo.
En la Tabla 4 se muestran los valores obtenidos de
carga y deformación máxima en la unión entre la mezcla
reciclada y la antigua mezcla bituminosa 2 meses
después de ejecutada la obra. Estos datos han sido
comparados con los de 3 testigos obtenidos de la obra
pero midiendo la unión entre dos capas de mezcla
bituminosa envejecida. En la Tabla 5 se muestran los
resultados.
Estos datos demuestran que las capas de mezcla
reciclada presentan una unión a la capa inferior similar a
la de las mezclas bituminosas convencionales.
Otro aspecto básico es la determinación del módulo
de la mezcla. Este asunto fue tratado en la tarea 7 y se
ha informado en la sexta publicación(VI). En general se
Figura 5. Esquema del ensayo alemán de evaluación del grado de adherencia existente entre dos capas.
Disco
Pegamento
Plano de ensayo
Pegamento
Número de ensayo
Número de testigo
Carga max (kN)
Deformación max (mm)
4 7w 15,98 1,18
4 8w 8,01 1,76
6 7w 22,5 1,79
media 15,50 1,58
Tabla 5. Carga maxima y deformación maxima registrada en el ensayo aleman (Figura 5) sobre 3 testigos de referencia.
Foto 5. Probeta para el ensayo del módulo .
Número de ensayo
Número de testigo
Carga max (kN)
Deformación max (mm)
1 11 8,91 3,83
4 6 19,25 0,99
4 6-1 15,65 1,51
4 7 14,85 0,91
4 8 14,69 1,88
6 6 11,67 2,21
6 7 7,10 1,12
6 8 19,74 1,66
7 12 21,65 2,28
7 13 9,74 1,99
7 14 6,11 2,03
9 11 11,62 2,35
9 12 8,43 1,90
9 13 12,44 2,41
media 12,32 1,98
Tabla 4. Carga maxima y deformación maxima registrada en el ensayo aleman (Figura 5) sobre 16 testigos extraidos de 5 de los 10
tramos en la A494.
Especial IRF
10
ARTÍCULO
puede afirmar que el módulo de rigidez es sobretodo
dependiente de la naturaleza del material fresado.
El método seguido para determinar el módulo después
de 1 o 2 años ha sido el siguiente: almacenamiento de la
muestra después de compactación en prensa giratoria
durante 14 días a 35ºC y un 20% de humedad. La
fabricación de las probetas en la prensa giratoria (Foto
5) permite establecer niveles de compactación que
reproduzcan una densidad y contenido
en agua de la mezcla similar a la de
obra.
Los valores del módulo, en estas
condiciones han sido de 3000 MPa +/-
1000 MPa(VI). Este valor puede aumentar
un 15-30% según las características
del material fresado y puede aumentar
de un 10 a un 20% si se reduce el
contenido de huecos de la mezcla un
5%.
La utilización de los distintos ligantes:
emulsión bituminosa, nanoemulsión
bituminosa o espuma de betún ha tenido una importancia
menor.
Por otra parte se ha comparado el comportamiento
reológico de la mezcla reciclada con el de una grava-
emulsión. En la Figura 6 se observa una menor
susceptibilidad térmica y a la velocidad de solicitación de
la mezcla reciclada. Este hecho ha sido justificado por
dos razones: el grado de envejecimiento del ligante y el
empleo de una pequeña cantidad de cemento, inferior al
1 %, en la mezcla reciclada.
La adición de cemento o cal, en cantidades inferiores
al 1%, en las mezclas recicladas con espuma de
betún parece el medio más seguro para mejorar las
propiedades mecánicas de la mezcla y la resistencia al
agua(IV).
La posibilidad de fabricar nanoemulsiones bituminosas
de ligante más duro abre la puerta a unas mejores
propiedades mecánicas de la mezcla. En este proyecto,
en la tercera publicación de la serie(III), se ha destacado
que se han obtenido módulos más elevados, un mes
Figura 6. Resultados obtenidos en la probeta para el ensayo del módulo.
Tramo
Módulo en tracción indirecta
(MPa)
Intervalo de confianza
Contraste de
hipótesis
1 2.737 1.813 3.660 0,001189
2 3.901 3.480 4.322 2,46e06
3 3.552 2.646 4.458 0,000404
4 3.582 1.694 5.470 0,006223
5 3.695 2.372 5.019 0,000303
6 3.122 1.283 4.962 0,009226
7 2.847 1.093 4.061 0,01077
Tabla 6. Módulo en tracción indirecta e intervalo de confianza obtenidos sobre los materiales reciclados en la A494(VII).
Figura 7. Resultados del módulo en tracción indirecta y del intervalo de confianza obtenidos en materiales reciclados en 7 de los 10 tramos experimentales de ensayo ejecutados en la
A494 (e incluidos en la Tabla 6).
Mó
du
lo (
MP
a)
Tramo ensayo
Diagrama de Black
|E*|
(M
Pa
)
Ángulo de desfase
referencia
referencia
Especial IRF
11
ARTÍCULO
después de su compactación, con el empleo de
nanoemulsiones en lugar de emulsiones convencionales.
Estos valores están en el rango de
los módulos obtenidos en los distintos
tramos de ensayo realizados en la
A-494 (ver Tabla 6 y Figura 7).
Las variaciones del módulo, entre
otros factores, están relacionadas con
los valores de densidad alcanzados en
cada uno de los tramos realizados (ver
Tabla 7 y Figura 8). Estos datos han
sido descritos en detalle en la séptima
publicación(VII).
Para cada tramo se ha realizado en
el equipo de ensayo Cooper la ley de
fatiga en tensión y en deformación se
muestran los resultados obtenidos en el
tramo de ensayo 1.
Un análisis estadístico más específico
para cada tramo ha permitido
correlacionar los valores del módulo
obtenido para cada tramo con las
principales variables (Figura 11).
5. Protección de la mezcla reciclada
Una de las limitaciones habituales de
las mezclas en frío es la necesidad de
realizar una protección de la mezcla
extendida. En muchos documentos
relativos al reciclado de pavimentos en
frío se establece que se debe demorar
varios días desde la ejecución del reciclado antes de
la aplicación del riego de curado para no dificultar la
velocidad de evaporación del agua de la mezcla.
En la experiencia de Probisa en el reciclado en frío in situ,
descrita en varios documentos recientes(X, XI), se establece
que el momento más adecuado para la aplicación del
riego de curado debe ser en la misma jornada. Una
dotación de unos 500-700 gramos por metro cuadrado
de emulsión no es una cantidad de emulsión suficiente
para evitar la evaporación del agua de la mezcla.
Los tramos de ensayo realizados en la A-494 así han
sido realizados(7) y los datos de densidad y evolución
del módulo constatan que esta práctica es adecuada
y reduce notablemente el tiempo de apertura al tráfico.
Dependiendo de las condiciones climatológicas y del
tipo de tráfico la apertura al tráfico puede ser realizada
en pocas horas.
Figura 8. Resultados de la densidad y del intervalo de confianza obtenidos en materiales reciclados en los 10 tramos experimentales de ensayo ejecutados en la A494 (e incluidos en
la Tabla 7).
De
nsi
da
d (
g/c
m3 )
Tramo ensayo
Figura 9. Ley de fatiga en tensión controlada sobre testigos obtenidos del tramo de ensayo 1 de la A494.
Lo
g (
ten
sió
n)
Log (número de ciclos)
Ley de fatiga en tensión
TramoDensidad (g/cm3)
Intervalo de confianza
Contraste de
hipótesis
1 2,107 2,096 2,118 2,20e-16
2 2,119 2,088 2,149 7,56e-14
3 2,175 2,137 2,213 3,00e-13
4 2,190 2,171 2,208 2,04e-15
5 2,171 2,149 2,193 7,92e-15
6 2,206 2,161 2,251 9,05e-13
7 2,184 2,166 2,202 2,20e-16
8 2,154 2,131 2,177 2,20e-16
9 2,240 2,226 2,255 2,20e-16
10 2,164 2,146 2,182 1,71e-15
Tabla 7. Densidad e intervalo de confianza obtenidos sobre los materiales reciclados en los 10 tramos en la A494(VII).
Especial IRF
12
ARTÍCULO
Con esta sistemática ha sido posible obtener testigos de
una obra de reclado in situ tan sólo 3 semanas después
de su ejecución.
conclusiones
Finalmente, una vez concluido el proyecto Score,
gracias a la intensidad del esfuerzo y a la calidad de los
trabajos realizados, como destacó el representante de la
Comisión Europea en la reunión final
del proyecto, el objetivo fundamental
del proyecto, la promoción del
reciclado en frío, dispone de
muchos más argumentos científicos
y técnicos para su empleo en la
rehabilitación de carreteras. Esta
serie de publicaciones pretende
justamente eso, dar a conocer
algunos de los resultados que más
pueden colaborar a ese objetivo.
Como decía el Secretario General
de la AIPCR, Jean-François
Corté, en el texto de introducción
que acompañaba a la primera
publicación(I), la ambición del
proyecto SCORE era grande y el
problema de gran complejidad dada
la diversidad de factores que influyen
en el resultado final, es decir en el
comportamiento mecánico de la
mezcla reciclada.
A lo largo de estas ocho publicaciones
se han descrito de manera
independiente resultados parciales
derivados de cada una de las tareas que
han constituido el proyecto Score. En
esta publicación, la última de la serie, se
ha pretendido hacer un balance global
y presentar, en forma muy resumida, las
principales aportaciones del proyecto.
Para mí ha sido un honor nuevamente
tener el privilegio de haber coordinado
un proyecto europeo. Después de la
experiencia del proyecto OPTEL(XIII),
el proyecto SCORE ha vuelto a
demostrar que la investigación
cooperativa europea es el modo más
eficaz de abordar tareas de esta
envergadura.
Gracias a la calidad técnica y humana de las personas
directamente implicadas en el proyecto SCORE, más de
30, se ha creado de nuevo un clima de trabajo donde la
colaboración científica y técnica han permitido multiplicar
la calidad y profundidad de las tareas inicialmente
previstas.
En la Europa actual, con 27 estados miembros, y
ante la oportunidad que nos brinda el VII Programa
Marco es preciso hacer un esfuerzo colectivo que
Figura 10. Ley de fatiga en deformación controlada sobre testigos obtenidos del tramo de ensayo 1 de la A494.
Lo
g d
efo
rma
ció
n (m
de
f)
Log (número de ciclos)
Ley de fatiga en deformación
Figura 11. Correlación entre los distintos parámetros medidos sobre los tramos experimentales realizados en la A494.
DENSIDAD
ESFUERZO
DEFORMACIÓN
MÓDULO
Especial IRF
13
ARTÍCULO
impulse la investigación cooperativa a nivel europeo
en nuestro sector. En ciertas ocasiones los grandes
grupos europeos de nuestro sector recelan de este
modelo desde una posición de autosuficiencia. El
resultado está ahí, existen muy pocos ejemplos de
proyectos europeos de investigación de nuestro
sector financiados por la Comisión Europea.
Sin embargo, desde el tamaño y duración de un proyecto
europeo se puede aspirar a desarrollar objetivos de
dimensión europea, como en otros sectores.
En España, en nuestro sector, se está estudiando la
posibilidad de reconocer y favorecer a las empresas
que invierten en I+D+i en los procesos de adjudicación
de obras públicas. Esta sería sin duda una excelente
noticia y podría marcar un punto de inflexión en el
desarrollo de la I+D+i en la construcción y conservación
de carreteras.
Gracias a este proyecto se han podido desarrollar
varios tramos de ensayo, dos en la República Checa
y uno en España, subdividido en diez subtramos, en la
A-494 gracias a la Junta de Andalucía (Foto 6). Desde
aquí quiero expresar mi agradecimiento y confianza en
el seguimiento de estos tramos.
Del seguimiento de estos tramos se pueden
obtener informaciones muy importantes de cara al
establecimiento de nuevas especificaciones nacionales
o europeas.
AgrAdecimientos
Quisiera agradecer públicamente,
en nombre del consorcio SCORE, a
la Comisión Europea su importante
contribución financiera a través del 5º
Programa Marco dentro del programa
específico “Promoting Competitive and Sustainable Growth”.
Quisiera agradecer, por orden según
las publicaciones, a Ian Lancaster, Jean
Walter, Pierre Attané, Ahmad Kalaaji,
Miguel Cruz, Frederic Delfosse, Bernard
Eckmann, Paul Landa, Tina Tanghe,
Didier Lesueur, Laetitia Herrero, Nuria
Uguet, Javier Hurtado, José Luis Peña,
José Miguel Baena, Lionel Odie, Claire
Naudat, Yves Brosseaud, Alain Beghin,
Frederic Placin, Michel Froumentin,
Jean Bauer y Jiri Fiedler por su
esfuerzo en la redacción de estos
ocho artículos que espero contribuyan
a la promoción del reciclado en frío en Europa.
Por último gracias a todos los miembros del Comité
de Orientación, del Comité de Dirección y a todos los
técnicos que han colaborado en este proyecto.
referenciAs bibliográficAs
I. I. M. Lancaster, J. Walter, P. Attané et A. Kalaaji,
«Régénération du bitume dans le recyclage à froid»,
Revue générale des routes et aérodromes n° 848,
abril-mayo 2006.
II. M. Cruz, F. Delfosse, B. Eckmann, P. Landa et T.
Tanghe, «Enrobage à la mousse de bitume», Revue
générale des routes et aérodromes n° 849, junio
2006.
III. D. Lesueur, L. Herrero, N. Uguet, J. Hurtado, J. L.
Pena, J. J. Potti, J. Walter, I. M. Lancaster, «Emulsions
de bitume micronisées et leur potentiel d’emploi en
recyclage à froid», Revue générale des routes et
aérodromes n° 850, julio-agosto 2006
IV. B. Eckmann, F. Delfosse, J. L. Peña, J. Walter, I.
M. Lancaster, J. M. Baena, L. Odie, C. Naudat, Y.
Brosseaud, A. Béghin et F. Placin, «Recyclage à froid
des matériaux bitumineux – Etudes de formulation»,
Revue générale des routes et aérodromes n° 851,
septiembre 2006.
Foto 6. Vista del tramo experimental realizado gracias al apoyo de la Junta de Andalucía en la A-494.
Especial IRF
14
ARTÍCULO
V. M. Froumentin et J. Bauer, «Influence des conditions
de fraisage sur la granulométrie du matériau recyclé»,
Revue générale des routes et aérodromes n° 852,
octubre 2006.
VI. Y. Brosseaud, V. Gaudefroy, A. Beghin, F. Placin, F.
Delfosse et J. M. Baena, «Evaluation en laboratoire
des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux
retraités en place par les techniques à froid», Revue
générale des routes et aérodromes n° 853, noviembre
2006.
VII. D. Lesueur, J. M. Baena, J. L. Peña et J. Fiedler,
«Eléments de validation in situ du programme
SCORE», Revue générale des routes et aérodromes
n° 854, diciembre 2006
VIII. D. Lesueur, J. J. Potti, C. Southwell, J. Walter, M. Cruz,
F. Delfosse, B. Eckmann, M. Mazé, J. Fiedler, I. Racek,
B. Simonsson, F. Placin, J. Serrano, A. Ruiz, A. Kalaaji
et P. Attané, « Superior COLD REcycling : Le projet
SCORE », Revue générale des routes et aérodromes
n° 827, abril 2004
IX. AIPCR, Recyclage des chaussées – “Guides pour
le retraitement en place au moyen de ciment,
retraitement en place à froid à l’émulsion ou
à la mousse de bitume, recyclage à chaud en
centrale des enrobés bitumineux”, rapport du
Comité technique 7/8 «Chaussées Routières»,
Paris, AIPCR Ed., 2003
X. L. Odie, C. Naudat, Y. Brosseaud, A. Beghin, B.
Eckmann et F. Delfosse, «Evaluation de la réactivité
chimique et de la montée en cohésion au jeune
âge des matériaux bitumineux recyclés à froid», 4e
Congrès Mondial de l’Emulsion, Article 1.4 – 311, Lyon,
2006.
XI. J. J. Potti, M. Martínez y J. Mancebo «Diseño y
sistemática de Probisa en el desarrollo de obras de
reciclado en frío con emulsión in situ», Boletín Técnico
de Probisa 44, 2002.
XII. J. J. Potti y M. Martinez Nicolau, «Evolución histórica
de los reciclados in situ con emulsión», Resumen
de la 1ª jornada de la Asociación Española de los
Fabricantes de Mezclas Asfalticas, Madrid (España),
2005.
XIII. J. J. Potti, D. Lesueur et B. Eckman, «Vers une
méthode rationnelle de formulation des enrobés à
froid : les apports du projet OPTEL», Revue générale
des routes et aérodromes n° 805, 2002.
Especial IRF
1
ARTÍCULO
Didier LEsUEUR Director Técnico. Probisa (España) Laetitia HERRERO InvestigadoresNuria UgUET Polo de Emulsiones EuroviaJavier HURTADO (Francia)
José Luis PEñA Coordinador Técnico del Proyecto FENIX (Responsable de Asistencia Técnica de Probisa durante el proyecto) (España) Juan José POTTI gerente de AsEFMA (Asociación Española de Fabricantes de Mezclas Asfálticas) y Coordinador del Proyecto sCORE (Director Técnico de Probisa durante el proyecto) (España)
Jean WALTER Investigación y Desarrollo. NynasIan LANCAsTER (Reino Unido)
Nanoemulsiones de betún y su interés para el reciclado en frío de mezclas bituminosas
RESUMEN
Un reciclado en frío in-situ se formula de tal manera que se consiga una rápida cohesión justo después de la puesta en obra, permitiendo así que el firme tenga propiedades mecánicas suficientes para aguantar el tráfico al poco tiempo. En la actualidad, se puede conseguir este resultado utilizando fórmulas a medida, utilizando por ejemplo un aditivo de rotura como el cemento. Una vía de mejora podría ser el empleo de emulsiones bituminosas submicró-nicas ya que permiten un total control de la morfología de la emulsión.
En este articulo, se presentan los trabajos llevados a cabo durante el proyecto SCORE sobre la fabricación de emulsiones bituminosas submicrónicas. Son emulsiones de betún con diámetro medio por debajo de la micra y se denominará en adelante “emulsiones micronizadas” de betún o “nanoemulsiones” (ligante llamado “microemulsión” en otras ocasiones, aunque esta denominación se ha abandonado finalmente al utilizarse en otros campos tecno-lógicos, para formulaciones diferentes).
Primero, se describe el proceso utilizado para fabricar esas nanoemulsiones. Esta tecnología permite fabricar emul-siones de betún a medida, con un tamaño de partículas totalmente controlado. Luego, se describe su interés para el reciclado en frío. Los resultados demuestran una mejora de la resistencia conservada, en línea con las expectativas iniciales. También el módulo a corto plazo aumenta, demostrando una mejora de la toma de cohesión.
Eso confirma el interés de esta tecnología novedosa, especialmente para el reciclado en frío.
Palabras clave: Emulsión, Emulsión micronizada, Emulsión submicrónica, Nanoemulsión, Diámetro partícula, Reciclado en frío, Proyecto SCORE.
Este artículo ha sido publicado por la revista francesa REVUE gÉNÉRALE DEs ROUTEs ET DEs AÉRODROMEs en su número 850, de julio-agosto de 2006, páginas 79 a 81 inclusive, y se edita ahora en CARRETERAs gracias al
Convenio de Colaboración suscrito entre ambas publicaciones.
Especial IRF
2
ARTÍCULO
l reciclado en frío es una tecnica
bastante utilizada para el reciclaje
in-situ de firmes bituminosos. Eso
consiste en fresar el pavimento
existente y mezclar el fresado así
obtenido con un ligante nuevo, que
viene por ejemplo en forma de una
emulsión de betún. El proceso se hace gracias a equipos
especiales diseñados para realizar esos procesos(I). En
este tipo de tratamiento, la mezcla a base de fresado se
formula de tal manera que se consiga una rápida cohesión
justo después de la puesta en obra, permitiendo así que
el firme tenga propiedades mecánicas suficientes para
aguantar el trafico al poco tiempo.
En la actualidad, se puede conseguir este resultado
utilizando fórmulas a medida, utilizando por ejemplo
un aditivo que provoque la rotura como el cemento
o la cal[2]. Una vía de mejora podría ser el empleo de
emulsiones bituminosas submicrónicas ya que permiten
un total control de la morfología de la emulsión[3]. Esas
emulsiones de betún tienen un diámetro medio por
debajo de la micra y por eso se denominaran en adelante
emulsiones micronizadas o nanoemulsiones (ligante
llamado microemulsión en otras ocasiones, aunque esta
denominación se ha abandonado finalmente al utilizarse
en otros campos tecnológicos, para formulaciones
diferentes).
En este artículo se presentan los trabajos llevados a
cabo durante el proyecto sCORE sobre la fabricación
de esas nanoemulsiones de betún y su interés para
el reciclado en frío. En un primer paso, se describe el
proceso utilizado para fabricar dichas nanoemulsiones.
se presenta la tecnología empleada y se comparan sus
principales características con las de los sistemas de
emulsificación convencionales.
Luego, se presenta el interés de dichas nanoemulsiones
para el reciclado en frio, comparado con las emulsiones
convencionales.
Fabricar nanoemulsiones de betún
Actualmente, las emulsiones de betún se fabrican
esencialmente utilizando molinos coloidales. El betún
caliente, típicamente a unos 140ºC, y la fase acuosa
llevando el emulsionante se mezclan durante un tiempo
muy corto pasando por un sistema rotor-estator de
pequeña apertura (menos de 1 mm) y una alta cizalla
(en torno a 3.000 rotaciones por minuto, rpm). Con una
buena elección, tanto en calidad como en cantidad,
de los ingredientes, sale del molino una emulsión
acuosa de betún, caracterizada por una amplia curva
granulométrica.
Aunque parámetros mecánicos como la velocidad de
rotación, la apertura (no siempre controlable) o el caudal,
y parámetros de formulación como el tipo y el contenido
en emulsionante, afectan la finura de la emulsión, resulta
bastante complicado conseguir una distribución de
tamaños de las partículas o gotas distinta de la que se
consigue con los parámetros habituales empleados.
En consecuencia, las emulsiones de betún catiónicas
suelen tener típicamente un diámetro mediano de 3 a
6 micras.
Ahora bien, los conocimientos teóricos y prácticos en
el área de la emulsificación de productos viscosos han
mejorado bastante y resulta posible en la actualidad utilizar
otros métodos distintos al tradicional molino coloidal.
Tecnologías de emulsificación con altos contenidos en
fase dispersa (“High Internal Phase Ratio”, HIPR) se
pueden aplicar al betún y permiten un control preciso
de la morfología de la emulsión. Con este método, se
pueden fabricar emulsiones submicrónicas de betún.
El proceso patentado HIPR se basa en los elementos
siguientes:
• La emulsión se fabrica en régimen concentrado, es
decir con un contenido en fase dispersa entre el 75 y el
95 % (en peso), y
• La fase dispersa es viscosa, con una viscosidad
superior a 1 Pa.s.
Bajo esas dos condiciones, y al tener también una
fórmula de fase acuosa adecuada, es posible conseguir
emulsiones finas con una escasa polidispersidad.
Conseguir el primer punto citado es muy fácil al ser un
tema de composición de la emulsión. El segundo punto
tampoco resulta complicado de conseguir ya que este
valor es la viscosidad del betún a temperaturas inferiores
a 90ºC.
Este proceso tiene la ventaja de disminuir las temperaturas
de fabricación y permite también evitar la ebullición
del agua. La emulsión concentrada que se forma es
un producto viscoso de difícil manejo. Para evitar este
problema se diluye la emulsión típicamente al 60 % de
betún, para que tenga una viscosidad parecida a la de las
emulsiones convencionales.
En nuestro caso, todas las emulsiones fabricadas por
HIPR se hicieron con el proceso siguiente:
E
Especial IRF
3
ARTÍCULO
• El betún se introduce primero en el reactor hasta
conseguir una temperatura homogénea de 90ºC,
• En paralelo, la fase acuosa se prepara con el
tensoactivo a la concentración elegida, fijando el pH a
2,5 empleando acido clorhídrico,
• Una vez el betún alcanza la temperatura, se introduce
la fase acuosa con baja agitación,
• se aumenta la agitación hasta 680 rpm y se mantiene a
este nivel hasta conseguir el tamaño deseado, y
• La emulsión se diluye al 60 % añadiendo agua con un
pH ácido.
comparación con las técnicas convencionales
Para ilustrar el interés de la tecnología HIPR para conseguir
emulsiones calibradas, se prepararon varias emulsiones
con un betún 70/100 y un emulsionante comercial de
uso común. El contenido en fase acuosa se mantiene en
todos los casos en un 9 % en la emulsión concentrada y
el contenido de tensoactivo se sube hasta un 20 %.
Como se describe en la Figura 1, el contenido en
emulsionante en la fase acuosa controla el tamaño de
las gotas de betún. Este proceso permite así obtener
un diámetro mediano de 0,5 micras con 20 % en fase
acuosa de la emulsión concentrada. Una vez diluida
la emulsión al 60 % de betún, la concentración en
emulsionante es del 1,2 %
sobre emulsión (s/e).
Con el fin de ilustrar las
diferencias entre una
emulsión convencional
y una emulsión
submicrónica, la Figura
2 compara la curva
granulométrica obtenida
con la tecnología HIPR y
aquella obtenida en un
molino coloidal con los
mismos ingredientes
(betún y tensoactivo). Así,
las emulsiones por HIPR
tienen una distribución muy
estrecha de tamaños de
partículas, con un diámetro
totalmente controlado. Eso
demuestra claramente el
interés de la tecnología HIPR para fabricar emulsiones de
betún a medida.
interés potencial para el reciclado en Frío: calidad de envuelta
Para ilustrar el interés de las nanoemulsiones para el
reciclado en frío, se hicieron mezclas a base de un fresado
procedente de una obra española, con el 4,6 % de betún
residual, y el 2 o el 3 % de emulsión (sobre fresado seco
s/a). Las emulsiones se obtuvieron o bien con un molino
coloidal de laboratorio (emulsión convencional), o bien
con la tecnología HIPR (nanoemulsión). se emplearon el
mismo betún Nynas 70/100 y el mismo tensoactivo en
ambos casos. De forma sistemática, se añadió también
un 0,5 % s/a de cemento.
Con fin de evaluar la calidad de envuelta, se hicieron
ensayos de inmersión compresión siguiendo el ensayo
vigente (NLT-162), pero con un método de compactación
modificado para conseguir densidades mas realistas, es
decir un contenido de huecos del 15 %, tal como se
observa habitualmente en las obras. Por eso, la presión
de compactación se fijó en 5 MPa en vez de los 20,6
que pide la norma. En consecuencia, los valores de
resistencia a compresión salen más o menos a la mitad
de lo que se suele obtener con la compactación normal.
En otro articulo de este especial se detallan diversos
elementos mas precisos sobre el método utilizado para
formular las mezclas. Los resultados obtenidos para las
mezclas con el 2 y el 3 % de emulsión convencional se
describen en la Figura 3.
Figura 1: Evolución del diámetro mediano de la emulsión según el contenido en emulsionante en la fase acuosa, con un emulsionante catiónico comercial.
Diá
me
tro
me
dia
no
(m
icra
s)
Emulsionante en la fase acuosa (%)
Especial IRF
4
ARTÍCULO
se destaca que con el 2 % s/a de emulsión, la
fórmula con nanoemulsión no solo consigue mejores
resistencias en seco R y sumergidas r, sino una mejora
de la resistencia conservada r/R. siendo idénticos tanto
el tipo y penetración del betún (Nynas 70/100) como
los tensoactivos empleados, esta diferencia proviene
probablemente de la mayor superficie específica que
aporta la nanoemulsión, mejorando en consecuencia la
calidad de envuelta.
En paralelo, al 3 % s/a de emulsión, la fórmula con
nanoemulsión tiene resistencias en seco R y sumergida
r inferiores a la referencia convencional, manteniendo
el mismo nivel de resistencia
conservada r/R. Eso parece
una consecuencia de un
exceso de ligante en la
nanoemulsión, el óptimo
de contenido de ligante
parece encontrase con
una diferencia del 1 % s/a
sobre el de la emulsión
convencional.
En resumen, la
nanoemulsión permitiría
así conseguir resultados
comparables a los de una
emulsión convencional con
solo el 2 % de emulsión,
cuando con una emulsión
convencional se necesita el
3 %. Además, los valores
de resistencia conservada r/R se mantienen
a un nivel muy elevado desde el 2 %,
demostrando una buena calidad de envuelta
con la microemulsión.
interés potencial para el reciclado en Frío: toma de cohesión
En una segunda etapa, se hicieron
mezclas utilizando otro fresado esta vez
procedente de una obra en Inglaterra,
con el 5,5 % de betún residual, y con el
2,5 % s/a de emulsión (1,5 % s/a de betún
residual) y sin cemento. Del mismo modo
que anteriormente, las emulsiones se
obtuvieron o bien con un molino coloidal
de laboratorio (emulsión convencional), o
bien con la tecnología HIPR (nanoemulsión).
se emplearon en ambos casos los mismos
betunes, Nynas 70/100 o 160/220.
Las probetas se compactaron con una prensa giratoria
al 15 % de huecos. El módulo de rigidez de las probetas
se ha procesado en el tiempo con una prensa NAT
(“Nottingham Asphalt Tester”). Los resultados obtenidos
se describen en la Figura 4.
se observa que las fórmulas a base de emulsión
convencional tienen inicialmente una rigidez superior
a las de las fórmulas con nanoemulsión, y eso hasta
aproximadamente los 20 días iniciales del curado.
Posteriormente a dicho tiempo, los reciclados con
Figura 2: Comparación entre la granulometría de una emulsión convencional (fabricada con molino coloidal) y una nanoemulsión fabricada por HIPR con los
mismos ingredientes.
Fra
cc
ión
vo
lum
étr
ica
(%
)
Diámetro (micras)
Convencional
Figura 3: Resistencia a compresión en seco (R), sumergida (r) y resistencia conservada r/R para los reciclados con emulsión convencional y con nanoemulsión, compactados
al 15 % de huecos (presión estática de 5 MPa).
Re
sist
en
cia
a c
om
pre
sió
n (
MP
a)
r/R
(%
)
Especial IRF
5
ARTÍCULO
nanoemulsión tienen un
módulo algo superior, un 20
% mayor al de la referencia
convencional.
Los reciclados con
nanoemulsión consiguen así
un módulo final mas elevado,
permitiendo obtener valores
superiores a 2.000 MPa a
20ºC después de 1 mes de
maduración.
conclusiones
Este artículo ha presentado
un nuevo sistema (tecnología
HIPR) de fabricación de las
emulsiones de betún, que permite conseguir emulsiones a
medida, calibradas y submicrónicas.
se ha presentado y descrito el interés que tienen
esas nanoemulsiones para el reciclado en frío.
Potencialmente, se esperaba una mejor calidad de
envuelta, lo que ha sido confirmado por los ensayos de
inmersión-compresión.
Además, se ha observado un módulo mas elevado a
medio plazo (un mes y mas) en comparación con la
referencia convencional.
En conclusión, esta tecnología novedosa parece muy
prometedora y se hicieron ensayos mas detallados,
incluyendo tramos de ensayo in-situ durante el proyecto
sCORE, como se describe en los otros artículos de este
número especial de la revista.
reFerencias bibliográFicas
I. AIPCR, «Recyclage des chaussées – guides pour
le retraitement en place au moyen de ciment,
retraitement en place à froid à l´emulsion ou à la
mousse de bitume, recyclage à chaud en centrale des
enrobés bitumineux», Rapport du Comité Technique
7/8 “Chaussées Routières”, Paris, AIPCR Ed., 2003.
II. J. J. Potti, M. Martínez y J. Mancebo «Diseño y
sistemática de Probisa en el desarrollo de obras de
reciclado en frío con emulsión in situ», Boletín Técnico
de Probisa 44, 2002.
III. D. Lesueur, L. Herrero, J. Hurtado et al., “Taylor-made
bitumen emulsions manufacturing using the High Internal
Phase Ratio method”, Compte-Rendus du Congrès
Mondial de l´Emulsion, Article 475, Lyon, 2006.
Figura 4: Módulo NAT a 20ºC para varios reciclados con emulsiones convencionales o nanoemulsiones, fabricadas con betún Nynas 70/100 o 160/220.
Mó
du
lo (
MP
a)
Tiempo (días)
Especial IRF
1
ARTÍCULOEstabilización de suelos con cal: actuaciones previas a su ejecución
RESUMEN
La realización de un proyecto de construcción de una carretera conlleva contemplar numerosos parámetros y condiciones, entre otras las que ocupan un lugar fundamental, los materiales de la traza y las características del suelo. Cuando aparecen suelos arcillosos, lo que es muy frecuente en muchas áreas de España, se hace necesario estabilizar dichos suelos, para cuyo cometido la cal es una alternativa muy ventajosa tanto desde el punto de vista técnico como económico, debiendo además considerar la facilidad y la celeridad con la que puede ejecutarse una estabilización con cal.
El texto analiza los cuatro elementos principales que constituyen el sistema: la cal, el suelo, la mezcla cal suelo, así como las condiciones que debe de cumplir el Estudio Previo relativo a la formulación y dosificación de la cal para obtener los mejores resultados en la obra, en los materiales y en la optimización del consumo de cal
Palabras clave: Cal, Suelo, Cal aérea, Cal viva, Cal apagada, Estabilización de suelos, Características de los suelos
Rafael FERnándEz ALLER director General de AnCAdE (Asociación nacional de Fabricantes de Cales y derivados de España)
Especial IRF
2
ARTÍCULO
na de las aplicaciones más interesan-
tes de la cal es su utilización para el
tratamiento de suelos para carreteras
y otras infraestructuras que se apo-
yen en suelos no estabilizados.
La estabilización de la arcilla con
cal en la construcción tiene más de 5.000 años de anti-
güedad. Sin embargo, hablando de tiempos recientes.
el tratamiento de arcillas con cal comienza en USA, en
1960, aplicando técnicas de la mecánica de suelos a las
mezclas de cal y suelo, alcanzándose una práctica que
aumentó su popularidad con gran rapidez, construyén-
dose miles de kilómetros de carreteras, sobre arcillas
estabilizadas, así como numerosos aeropuertos princi-
pales como el de dalias Fort Worth.
En Francia, la técnica de estabilización de suelos se apli-
có entre los años sesenta y setenta del pasado siglo,
principalmente para la reutilización en terraplén de suelos
húmedos sensibles al agua.
Antes de comenzar un proyecto de construcción de una
carretera (autopista) el diseño debe de acomodarse,
obviamente, de una parte, a los volúmenes y caracte-
rísticas de tráfico previsto pero de otra, y en cuanto a la
ejecución de la obra se refiere, de manera muy impor-
tante, debe de considerar entre otros aspectos, el medio
ambiente, las características geomorfológicas y topográ-
ficas del lugar, y las condiciones de los materiales de la
traza para su posible reutilización.
La estabilización de los terrenos arcillosos con cal se ha
convertido en una alternativa muy ventajosa a los méto-
dos tradicionales de construcción de carreteras y otras
infraestructuras, tanto desde el punto de vista técnico
como económico, dando celeridad a la ejecución con el
interés que ello conlleva en este tipo de obras de cara al
cumplimiento de plazos.
Los proyectos típicos para los que la estabilización con
cal presenta un gran interés, incluyen:
• Autopistas, carreteras principales y secundarias,
• Pistas de aterrizaje y de servicio en aeropuertos,
• Aparcamientos y explanadas de fábricas,
• Estabilización de laderas,
• Caminos vecinales, pistas forestales y caminos rurales,
• Vías férreas,
• Recuperación de muelles en desuso,
• Recuperación de terrenos contaminados, y
• Rellenos estructurales.
En la estabilización de suelos con cal intervienen tres
elementos fundamentales:
• Los suelos,
• La cal, y
• La mezcla cal-suelo.
Analizados los tres elementos del sistema y con objeto
de establecer la adecuada formulación y dosificación
de cal en la estabilización, resulta necesario proceder a
realizar un Estudio Previo cuyo alcance dependerá de los
conocimientos que se tengan sobre el propio suelo y las
anteriores experiencias de tratamiento (ver Foto 1).
En los siguientes apartados se desarrollarán los anterio-
res puntos, habiendo tomado como referentes el Manual de Estabilización de Suelos con Cal (AnCAdE 1977), la
Guía Técnica Tratamiento con Cal y Conglomerantes Hidráulicos (LCPC 2005) y diversos estudios y experien-
cias realizados sobre el tema.
Los sueLos
Se entiende por suelos a los materiales naturales cons-
tituidos por partículas o granos que pueden separarse
fácilmente por simple trituración o eventualmente por
la acción de una corriente de agua. Estas partículas o
granos han sido generados por alteraciones mecánicas
U
Foto 1: Estudio previo del terreno para estabilizar con cal, en Arcos de la Frontera
Especial IRF
3
ARTÍCULO
o fisicoquímicas de rocas madre de todas las naturale-
zas. Sus características pueden ser extremadamente
variables según la naturaleza de la roca madre y sobre
todo según el modo y grado de alteración (que se tra-
duce por la presencia de fracción arcillosa más o menos
importante y activa).
Es indispensable antes de comenzar cualquier trabajo
con un suelo, tener el conocimiento más preciso posible,
sobre:
• las características de los materiales que lo componen,
• los problemas que estos materiales van a generar, y
• las soluciones que pueden adaptarse (por ejemplo, el
tratamiento de estabilización con cal).
Como norma general se puede señalar que para que
la estabilización con cal sea eficaz, los suelos deben
de ser plásticos, y en este sentido se considera que a
partir de un Índice de Plasticidad, IP, igual o mayor que
10, el suelo es adecuado para reaccionar satisfacto-
riamente a su estabilización con cal, ya que esto es la
clave para las reacciones químicas que proporcionan
mejoras en las propiedades del suelo de forma inme-
diata y plazo.
La caracterización de un suelo se lleva a cabo por medio
de dos tipos de parámetros, conocidos como paráme-
tros de naturaleza y parámetros de estado (Foto 2).
Los parámetros de naturaleza se caracterizan porque no
varían ni con el tiempo ni a lo largo de las manipulaciones
que puedan realizarse a los suelos durante los tra-
bajos, los más importantes son:
• La granulometría o finura, se evalua mediante el
diámetro máximo, y el porcentaje de partículas
que pasa por el tamiz UnE 80 µm.
• La plasticidad, se evalúa mediante el Índice de
Plasticidad (IP) y el Valor del Azul de Metileno (VA).
• El hinchamiento.
Los parámetros de estado no son propios de las
características del suelo sino de las condiciones
ambientales en que se encuentra. El parámetro
de estado que en el caso de suelos sensibles
determina todas las condiciones de los rellenos,
terraplenes y explanadas es el Estado Hídrico que
se mide por dos propiedades o valores:
• La compactación mediante el ensayo Proctor (Proctor
normal en terraplenes, y Proctor Modificado en expla-
nadas), y
• La capacidad portante mediante el ensayo CBR
(“California Bearing Ratio”).
Una vez realizada la investigación de los suelos, es muy
útil establecer una clasificación, por familias de materiales
con comportamiento conocido, para establecer las con-
diciones de su empleo o utilización mediante tratamien-
to. Esta clasificación distinguirá los materiales rocosos
de los suelos propiamente dichos y tendrá en cuenta el
comportamiento de estos materiales a la hora de definir
sus condiciones de empleo, utilización o tratamiento más
adecuado para ello tanto en rellenos y terraplenes como
en explanadas.
Existen diferentes clasificaciones de suelos, siendo las
más utilizadas las que a continuación se mencionan y
dentro de ellas, la denominación de los suelos en los que
el tratamiento y estabilización con cal es adecuado figura
en la Tabla 1:
• P.RA (“Public Road Administration” U.S.A.).
P.R.A. CASAGRAndE L.C.P.C.- SETRA PG3 (ART. 330)
A4 OL A2 Inadecuados
A5 OH A3 Próximosa tolerablesA6 CL A4
A7 MH B6 Tolerables
Tabla 1. Suelos aptos para estabilizar con cal, según diversas clasificaciones.
Foto 2. La caracterización de un suelo (en la foto, Arcos de la Frontera) se realiza mediante parámetros de naturaleza y parámetros de estado.
Especial IRF
4
ARTÍCULO
• CASAGRAndE (elaborada por Arthur Casagrande; es
la más conocida y adoptada por diversos organismos).
• L.C.P.C.- SETRA (elaborada por los organismos france-
ses L.C.P.C. - SETRA en los años setenta, viene conte-
nida en la norma francesa nFP 11300).
• Artículo 330 del PG3 (Pliego de Prescripciones Técnicas
Generales para obras de Carreteras y Puertos del
Ministerio de Fomento).
En la construcción de carreteras (ver Foto 3), el apro-
vechamiento de los suelos naturales de la traza puede
presentar dificultades debido a:
• El alto contenido de agua.
• La presencia de arcilla en los mismos.
• A la combinación de ambos elementos.
La importancia del contenido de agua es conocida por
todos ya que, si es demasiado elevado, hace que la cir-
culación de máquinas en obra sea difícil cuando no impo-
sible, y si es demasiado bajo la compactación resulta una
operación difícil.
Los materiales que tienen arcillas en su composición,
son conocidos por sus mediocres propiedades geo-
técnicas que, además, varían según las condiciones
climáticas.
La CaL
Las cales utilizadas en la estabilización de
suelos son cales aéreas que endurecen con
el CO2 presente en el aire. Están compues-
tas principalmente por óxido e hidróxido de
calcio y de magnesio.
La cal es una sustancia química que se
obtiene a partir de rocas calizas, compues-
tas mayoritariamente por carbonato cálcico
(CaCO3). Mediante la calcinación de la roca
caliza, a unos 950 – 1.000 ºC, en un horno
de cal, se logra la descomposición del car-
bonato cálcico según la siguiente reacción
química:
CaCO3 + Calor (50 Kcal) → CaO + CO2
El óxido de calcio o cal viva CaO, se puede
combinar con agua en el proceso de hidra-
tación, para dar lugar al hidróxido de calcio (Ca(OH)2)
conocido como cal apagada o cal hidratada:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Calor (15,5 Kcal)
Las cales utilizadas en la estabilización de suelos son
cales aéreas que se caracterizan por:
• Endurecer lentamente al aire por la acción del CO2 de
la atmósfera.
• no presentar propiedades hidráulicas, es decir, no
endurecer con el agua.
Para la estabilización de suelos, siguiendo la norma UnE
80502, deben de emplearse las siguientes clases y tipos
de cales aéreas:
• Cales vivas (Q) que se componen principalmente
de óxido de calcio y óxido de magnesio. deberán
emplearse los tipos CL 90-Q o CL 80-Q. Si el porcenta-
je de oxido de magnesio es superior al 5 %, se definen
como cales dolomíticas o dolomía calcinada,
• Cales hidratadas o apagadas (S) que se componen
principalmente de hidróxido de calcio y provienen
de la hidratación controlada de cales vivas. deberán
emplearse los tipos CL 90-S o CL 80-S, y
• Lechada de cal que es la suspensión de cal apagada
en agua. O bien también puede obtenerse a partir de
la cal viva que al mezclarse con agua dará cal apaga-
da, formándose a continuación con el resto del agua
la suspensión de lechada de cal. La lechada de cal,
que puede ser preparada en la propia fábrica o in situ,
Foto 3: Preparación del terreno para su estabilización con cal en el desdoblamiento de una carretera
Especial IRF
5
ARTÍCULO
puede utilizarse, aplicándose directamente sobre el
suelo.
¿Qué ventajas ofrece cada una de estas formas?
Veamoslo seguidamente:
• Ventajas de la cal viva:
Tiene mayor contenido de cal útil por unidad de masa
que la cal hidratada. Para las cales altas en calcio,
usadas en la estabilización de suelos según norma
UnE 80502/97, un 3% de cal viva equivale a un 4%
de cal hidratada,
Reduce el contenido de humedad de los suelos
húmedos,
Es más densa que la cal hidratada,
Lo anterior reduce los costes de almacenamiento y
transporte, y
Por contra, la cal viva exige mayores medidas de
seguridad durante su transporte y puesta en obra.
• Ventajas de la cal hidratada:
Tiene un tamaño medio de partícula mucho más
pequeño que el de la cal viva molida y se dispersa
rápidamente en el suelo durante el mezclado,
En condiciones de terreno seco, puede ser ventajoso
añadir la cal hidratada o la lechada de cal si el resto
del riego es suficientemente alto, y
Exige menos precauciones de seguridad que la cal
viva.
• Ventajas de la lechada de cal:
Supresión del polvo producido en el extendido de la
cal, y
Humidificación de los suelos secos.
dado el carácter evolutivo de la cal en ambientes húme-
dos, se evitará la utilización de cales que hayan perma-
necido almacenadas en malas condiciones o cuando
existan dudas sobre su buen estado de conservación y
en tal caso se deberá verificar:
• Para las cales vivas: la reactividad al agua (su valor des-
cenderá si ha habido hidratación y recarbonatación) y
el contenido en CO2.
• Para las cales apagadas: el contenido de CO2 (un
aumento de su valor indicará que ha habido recarbo-
natación) y la humedad a 110 ºC.
• Para las lechadas de cal: sus características (esen-
cialmente su concentración), vienen determinadas en
función de las demandas reales de los materiales en
el momento de los trabajos. Por lo tanto, solamente se
medirá en ellas su concentración expresada en extrac-
to seco (ES).
Además de las cales aéreas citadas existen otros esta-
bilizadores basados en la cal, que son materiales que
comportan en su composición una cantidad importante
de cal, convenientemente fabricados para responder a las
necesidades especificas de las técnicas de construcción
de carreteras debiendo cumplir las normas o regulaciones
técnicas de aplicación, antes de su utilización en la obra,
tratándose, por lo general, de mezclas formadas por:
• escoria granulada de alto horno + cal + áridos,
• cenizas volantes silico - aluminosas + cal + áridos,
• cenizas volantes sulfo - cálcicas + áridos, y
• puzolanas molidas + cal + áridos.
Las cales a emplear en la estabilización de suelos vie-
nen definidas por la norma UnE-En 459-1 Cales para la construcción. Parte 1: definiciones, especificaciones y criterios de conformidad.
Se trata de una norma armonizada para las cales para
la construcción, lo que implica que las cales emplea-
das en la estabilización de suelos deberán contar
con el Marcado CE para su comercialización según
lo previsto en la legislación española por la transpo-
sición de la directiva Europea de Productos para la
Construcción .
dicha norma se complementa con las dos siguientes:
la UnE-En 459-2 Cales para la construcción. Parte 2: Métodos de ensayo.y la UnE-En 459-3 Cales para la construcción. Parte 3: Evaluación de la conformidad.
Para asegurar la calidad de la cal utilizada en el tratamien-
to deben analizarse los siguientes parámetros:
• Contenido de componentes magnésicos y cálcicos.
• El contenido en óxidos de calcio y de magnesio, sobre
muestra calcinada debe ser mayor del 90 por ciento en
masa (CL-90).
Especial IRF
6
ARTÍCULO
• Contenido de dióxido de carbono (CO2) (< 5% en
masa).
• Finura del molido mediante el análisis granulométrico,
debiendo ser todas las partículas inferiores a 6,3 mm, y
más del 90 por ciento inferiores a 0,2 mm.
• Reactividad de la cal.
La reactividad permite medir la velocidad ó cinética
de reacción de la cal con el agua, midiendo el tiempo
que se tarda en alcanzar una temperatura de 60 ºC al
agitar la muestra y debiendo ser dicho tiempo inferior
a 25 minutos, siendo la cal más reactiva cuanto menor
sea el tiempo y por ello, cuanto más alta sea la reac-
tividad más rápida será su acción en la estabilización
del suelo.
La reactividad de la cal es función de:
• la porosidad de la cal,
• del grado calcinación,
• de la materia prima (caliza) utilizada, y
• de la finura de la cal en el momento del
ensayo.
La reactividad es un parámetro básico,
especialmente por dos razones:
• Establece la calidad de la cal en cuanto
a su capacidad de reacción (indica que
las reacciones se producirán de forma
rápida), y
• Permite estimar la eficacia de la cal para
el secado de suelos húmedos.
También se deben de considerar en
las cales para estabilización, lo previsto
en los artículos 200 Cales aéreas, 204 Cales para la estabilización de suelos, y 510 Suelos estabilizados in situ con cal del Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes, (PG-3),
vigente del Ministerio de Fomento reflejan lo anterior
y las disposiciones normativas para la aplicación de la
cal a la estabilización de suelos. Las Tablas 2 y 3 con-
tienen un resumen de las mismas.
La mezCLa caL y sueLo
La cal aporta una solución interesante a la vez de econó-
mica a estos problemas, ya que:
• La aportación de cal viva permite secar los suelos exce-
sivamente húmedos.
• Utilizándola en sus diferentes formas (viva, apagada o
en lechada), mejora y estabiliza las características de
los suelos arcillosos a corto y largo plazo.
• Permite utilizar los suelos de la traza reduciendo o
evitando el impacto ambiental debido a la extracción
de otros suelos o al vertido de los procedentes de las
excavaciones de la traza.
Los efectos de la cal al mezclarse con los suelos
arcillosos pueden ser divididos en dos grupos prin-
cipales:
• debidos a reacciones rápidas (minutos/horas); es una
mejora por modificación inmediata que afecta a la
humedad del suelo y a sus propiedades geotécnicas,
mejorando su trabajabilidad y su comportamiento fren-
te al agua (ver Foto 4).
CARACTERISTICAS GRAnO MICROnIzAdA
Contenidos en óxido de calcio y magnesio en muestras calcinada(a)
>90 % en masa
Contenido en dióxido de carbono en el punto de fabricación
<5 % en masa
Finura. Porcentaje acumulado retenido sobre:
• Tamiz UnE 6,3 mm• Tamiz UnE 0,2 mm
0%--
0’1” <1 en;)
Reactividad. temperatura mínima: • Cal viva con MgO < 5%• Cal dolomítica con MgO > 5%
El tiempo máximo para alcanzar la temperatura mínima en ambas
>60°C >50°C
25 minutos
(a) La determinación se realizará sobre muestra previamente calcinada en horno eléctrico a 975ºC ± 25ºC
Tabla 2. Cal Clase I, según el PG3 del Ministerio de Fomento.
CARACTERISTICAS
Contenidos en óxido de calcio y magnesio en muestras calcinada(a)
>90 % en masa
Contenido en dióxido de carbono en el punto de fabricación
<5 % en masa
Finura. Porcentaje acumulado retenido sobre:
Tamiz UnE 0,2 mm < 10 %
(a) La determinación se realizará sobre muestra previamente calcinada en horno eléctrico a 975ºC ± 25ºC
Tabla 3. Cal Clase II, según el PG3 del Ministerio de Fomento.
Especial IRF
7
ARTÍCULO
En lo que se refiere a las modificaciones de las carac-
terísticas de la fracción arcillosa del suelo, la cal en un
suelo arcilloso produce cambios iónicos y floculación
de partículas debido a que actúa sobre las cargas eléc-
tricas de las partículas arcillosas y modifica los campos
eléctricos.
Una vez incorporada la cal en el suelo, las finas partículas
de arcilla se aglomeran en elementos más gruesos y
friables. Este fenómeno se llama floculación y se explica
por la formación de nódulos de Ca (OH)2 entre las finas
láminas de arcilla, que provocan un intercambio iónico
de los iones na+ de los suelos por iones Ca++ de la cal.
En el laboratorio se comprueba por:
• disminución de la humedad natural del suelo (con cal
viva),
• una disminución del Índice de Plasticidad (IP) o del Valor
del Azul de Metileno (VA),
• aumento del límite plástico,
• disminución de la densidad máxima Proctor,
• un aumento del CBR, y
• un aplanamiento de la curva Proctor.
En el suelo se generan las siguientes acciones geotéc-
nicas:
• Una elevación importante del límite plás-
tico del suelo sin que varíe significativa-
mente su límite líquido, lo que supone
una reducción importante del índice de
plasticidad, es decir el suelo arcilloso
de una manera inmediata, cambia de
un estado plástico y por tanto defor-
mable y viscoso, a un estado sólido
volviéndose más rígido y friable, mejo-
rando así su puesta en obra.
En obra, se constata que los materiales
húmedos pierden su carácter pegajoso y
toman un aspecto arenoso. Su manipu-
lación es más fácil y tanto su capacidad
portante como su comportamiento en
el extendido son netamente mejorados.
En general una dosificación del orden del
1 % de cal viva es suficiente en algunos
casos para conseguir estas modifica-
ciones.
• Provenientes de reacciones a largo plazo (semanas/
meses); pueden asimilarse a una estabilización por
cementación.
1. Mejoras por la modificación inmediata
Respecto a las modificaciones del estado hídrico
dependen de la forma en que se encuentra la cal y del
porcentaje aplicado. Si se emplea cal viva, ésta provoca
un descenso inmediato de la humedad del suelo de
aproximadamente del 3-4 % por cada 1% de cal viva
mezclada, por el efecto combinado de los tres proce-
sos siguientes:
• Hidratación de la cal viva,
• Evaporación de una cierta cantidad de agua, y
• Aporte de materia seca (cal en polvo, por vía seca),
que reduce la relación peso de agua/peso de sóli-
do, que define el cálculo de la humedad del material
resultante.
En suelos demasiado húmedos, esta desecación
mediante este secado durante la fase de mezclado se
hace necesaria. Sin embargo en suelos con humeda-
des cercanas a la óptima de compactación, o incluso
menores, esta desecación deberá ser compensada con
un aporte de humedad complementaria mediante riego,
siendo la cantidad de agua a añadir del orden del 30 por
ciento del peso de la cal aportada.
Foto 4: Al mezclarse la cal con suelos arcillosos se modifica la humedad del suelo y sus propiedades geotécnicas, mejora su trabajabilidad y su comportamiento frente al agua.
Especial IRF
8
ARTÍCULO
• Los suelos arcillosos son, por lo general, muy expan-
sivos, por lo que se hinchan en presencia de agua
y cuando esta desaparece, disminuyen su volumen
hasta el estado inicial. Esta expansividad se reduce o
se anula debido al descenso de la plasticidad lo que
genera una mejora de la estabilidad volumétrica del
suelo.
• A la vez que se reduce la plasticidad y la expansividad,
se produce un incremento de la resistencia a esfuerzo
cortante del suelo que se traduce en una mejora inme-
diata de su capacidad de soporte (ensayo del material
para obtener su índice de capacidad de soporte: inme-
diata, IPI)
2. Estabilización o mejora a largo plazo
La estabilización propiamente dicha consiste en una
mejora a largo plazo (meses/años) por cementación, en
función de la temperatura ambiente y de la naturaleza
de la arcilla:
• aumentando la capacidad portante del suelo (lo que
permite su empleo en capas de mayores exigencias),
• mejorando sus buenas propiedades estructurales en
el tiempo, y
• haciendo que la capa estabilizada no sea sensible al
agua y a los ciclos hielo-deshielo.
La razón para ello, es que se pro-
duce una reacción de tipo puzo-
lánico: la cal eleva el pH del suelo
estabilizado hasta valores supe-
riores a 12, liberando sílice y alú-
mina de la arcilla que reaccionan
con los iones calcio procedentes
de la cal, formando silicatos y alu-
minatos cálcicos hidratados que,
como en el caso de los cemen-
tos, incrementan la resistencia
mecánica.
La duración de la reacción puzo-
lánica en el suelo depende de
la temperatura ambiente y de la
naturaleza de la arcilla. Se sitúa
normalmente entre algunos
meses y dos años.
Esta reacción de tipo puzolánico
que es progresiva con el tiempo,
aumenta:
• la impermeabilidad,
• la resistencia mecánica, y
• la resistencia a las heladas del suelo tratado.
En el laboratorio se constata por:
• aumento adicional del C.B.R,
• aumento de la resistencia al corte, a tracción y de com-
presión no confinada,
• una mejora de la estabilidad, disminuyendo la dilatación
y la contracción, y
• una mejora de la resistencia a las heladas.
El mecanismo de estabilización es mucho más complejo
que el de modificación, debido a que además de las dos
variables que influyen en su desarrollo, es decir el tiempo
y la reacción cal-arcilla, intervienen otros factores en la
cinética del proceso de endurecimiento de las mezclas
suelo-cal como son los siguientes:
• La temperatura ambiente. Se ha podido constatar que
las resistencias alcanzadas al cabo de un año para una
mezcla suelo-cal en condiciones de conservación a 20 ºC
pueden ser obtenidas normalmente, en menos de 30
días si la temperatura de conservación es del orden de
Foto 5: Tratamiento de estabilización con cal.
Especial IRF
9
ARTÍCULO
40 ºC, y el proceso de endurecimiento se detiene
cuando la temperatura desciende por debajo de 5 ºC.
• La cantidad y naturaleza de la fracción arcillosa en
el suelo. Cuanto más elevada sea esta cantidad,
más rápida será la disolución de la sílice y de la
alúmina y más importantes serán las cristalizacio-
nes (en función de la disponibilidad de las cantida-
des necesarias de cal y de agua libre).
Algunos suelos, aunque se definan como arcillosos
en el sentido geotécnico, no producen reacciones
puzolánicas como es el caso de las arcillas sericitosas
con alto contenido de mica procedentes de la altera-
ción de los esquistos, lo que también ocurre cuando
ciertas sustancias como materia orgánica, carbona-
tos alteran las condiciones químicas.
En todos estos casos, se debe realizar el oportuno
estudio geotécnico para ver si por acción de la cal
sobre el suelo se producen o no mejoras.
• El estado hídrico del suelo. La presencia en el suelo de
una cantidad suficiente de agua libre es indispensable:
para asegurar la ionización con pH elevado del
medio necesaria para la solubilización, y
para la hidratación de los compuestos que lleva a la
cementación de las partículas granulares.
Por lo tanto en el proceso de esta-
bilización se debe de tener en
cuenta dos condiciones básicas:
• Los valores de las caracterís-
ticas mecánicas esperables a
largo plazo para las mezclas
suelo-cal varían mucho de un
suelo a otro, razón por la que
deben acometerse los estu-
dios previos, aun cuando por
su complejidad la estabilización
a largo plazo no es una técnica
de precisión, y
• Existe una dosificación máxima
de cal, en función de la cantidad
máxima consumible por la arcilla
presente en el suelo, por enci-
ma de la cual las características
mecánicas no pueden aumentar
más e incluso corren el riesgo de
empeorar.
estudio de formuLaCión y dosifiCaCión de La CaL
Considerando las numerosas variables que intervienen
en la estabilización de suelos, cuando se proyecta esta-
bilizar un suelo con cal es indispensable proceder a un
estudio previo cuyo esquema y alcance dependen de los
conocimientos que se tengan sobre el propio suelo y las
anteriores experiencias de tratamiento.
El objetivo del estudio consiste en determinar el tipo de
cal a emplear y las dosificaciones a aplicar en función
de:
• Las características de los suelos, y
• El destino de los materiales tratados (rellenos, explana-
das, bases/sub-bases, capas de rodadura).
Evidentemente, el estudio geotécnico y el conocimiento
de las características del suelo lo más preciso posible
tiene, en la mayoría de los casos, una importancia vital
para el diseño y ejecución de la obra, siendo una de sus
aplicaciones básicas la que sirve para realizar el estudio
de formulación que indica la dosificación de cal más
idónea y el tipo de ésta más conveniente por las carac-
terísticas de la obra.
El estudio, a través de la ejecución de sondeos de reco-
nocimiento y de pruebas de laboratorio, debe de pro-
Foto 6: Vista aérea de la zona a estabilizar con cal
Especial IRF
10
ARTÍCULO
porcionar una descripción de los suelos principalmente
para (Foto 6):
• Su agrupamiento en familias homogéneas y represen-
tativas de acuerdo con la clasificación correspondiente,
acotando las zonas de cada tipo de suelo así como los
volúmenes disponibles del mismo.
• determinar las características geotécnicas con su esta-
do hídrico posible en el momento de los trabajos.
Asimismo, el estudio debe de indicar la presencia o no
de los elementos susceptibles de influir en el tratamiento
como:
• Materia orgánica,
• Sulfuros y sulfatos,
• nitratos (abonos) , en el caso de prever un tratamiento
mixto cal + cemento, y
• Cloruros (sal gema) etc, también para el caso de trata-
miento mixto cal + cemento.
Mención especial merecen los sulfuros y los sulfatos, ya
que cuando los compuestos totales de azufre, expre-
sados como sulfatos sobrepasen el 1% en masa del
suelo original pueden causar, en presencia de agua,
una reacción secundaria que origine hinchamientos y
fisuración de la mezcla estabilizada, por lo que en este
caso se deberán realizar los ensayos oportunos en las
condiciones más parecidas posibles a las que van a estar
sometidos los suelos estabilizados en la obra.
La posibilidad de que las aguas subterráneas (que pue-
den contener sulfatos) penetren en el suelo estabilizado
con cal tiene una importancia fundamental, para evitarlo,
es esencial que el suelo estabilizado quede compactado
con un porcentaje de huecos no superior al 5%, por lo
que deberá prestarse una gran atención a la humedad
del suelo en el momento de la compactación.
El estudio es fundamental a nivel del proyecto, puesto
que de sus resultados se podrá deducir:
• Los materiales susceptibles de ser estabilizados y tra-
tados con cal, y
• La dosificación de cal y el tipo más indicado de ésta.
de otra parte, el estudio de formulación consiste en
analizar la evolución de los rendimientos mecánicos de la
mezcla suelo-cal en función de:
• el tipo de cal (clase y dosificación),
• las características de la mezcla (densidad y humedad),
• tiempo de conservación, y
• modo de conservación (ambiente, inmersión, hielo,
deshielo, etc).
El estudio de formulación debe de concluir con la elec-
ción de la cal apropiada y de las dosificaciones a usar
en función de cada aplicación (terraplenes, explanadas,
sub-bases, bases, capas de rodadura) y de las presta-
ciones exigidas para cada tipo de aplicación.
La dosificación de producto se expresa mediante el
porcentaje que representa la masa del producto de
tratamiento en relación con la suma de las masas de los
productos secos presentes en la mezcla, según:
d% = Q*100/(MSS + Q + mCg)
donde:
• Q es la masa del producto de tratamiento (cal),
• MSS es la masa de suelo seco o eventualmente pretra-
tado (ej. con cal), y
• mCg es la masa, en su caso, del corrector granulomé-
trico.
El procedimiento para encontrar la dosificación optima
de la cal, se basa en criterios de resistencia. El más utili-
zado es el índice de resistencia CBR.
Asimismo, se comparan los CBR del suelo sin estabilizar
y el del suelo estabilizado con una dosificación de cal que
permita obtener el CBR exigido para el suelo tratado.
Esta comparación permitirá conocer la mejora del suelo
conseguida con el tratamiento.
El procedimiento puede tener operativas diferentes
según se trate el material para terraplén o para expla-
nadas.
Un método rápido para determinar el porcentaje de
cal con cierta aproximación es el que viene dado en la
norma A-55.M. C-977
1. Terraplenes
En el caso de terraplenes, se busca la dosificación de cal
capaz de conferir, al suelo a estabilizar, una capacidad
Especial IRF
11
ARTÍCULO
portante inmediata y suficiente que permita soportar el
tráfico de la obra y conseguir las compactaciones pro-
yectadas. Es la aplicación privilegiada de la cal viva.
Se puede utilizar la evolución del Índice Portante Inmediato
(CBR sin sobrecargas), según la norma Francesa nFP
94078, en función de la dosificación de cal para diferentes
contenidos de agua representativos del estado natural.
También se puede buscar la dosificación en cal necesa-
ria para que el suelo, tratado y compacta la energía del
ensayo Proctor normal, alcance un valor CBR (obtenido
con punzonamiento inmediato a la confección de la
probeta), suficiente para permitir una puesta en obra en
buenas condiciones. El valor del CBR admisible general-
mente está comprendido entre 5 y 15 según las carac-
terísticas de la obra.
Las dosificaciones de cal viva expresadas como porcen-
taje del suelo seco, normalmente recomendadas varían
entre 1 y 3% según el contenido de agua del suelo, o
entre 2 y 4% de cal hidratada.
2. Explanadas
En el caso de explanadas, cuando las arcillas del suelo
reaccionan particularmente bien con la cal (caso de cier-
tas margas y margas-calcáreas) se obtienen, después
del tratamiento, unos resultados mecánicos suficientes
para autorizar su utilización en aquellas, en estos casos
se recomienda que:
• si el suelo está demasiado húmedo se use la cal viva
para conferirle en primer lugar una capacidad portante
inmediata, indispensable para una correcta circulación
por la obra, y
• si el suelo está seco se recurra a la cal apagada o a la
lechada de cal.
En los dos casos, se estudia la evolución del CBR, des-
pués de la inmersión de las probetas durante cuatro días
en agua, en función de la dosificación de cal para distin-
tos contenidos en agua. En regiones templadas, some-
tidas a heladas poco intensas, la experiencia muestra
que un CBR > 20, obtenido tras la inmersión en agua, es
suficiente para la utilización de estos materiales.
En cualquier caso se busca la dosificación capaz de con-
ferir al suelo a estabilizar:
• Para que si la humedad natural elevada, la capacidad
portante inmediata sea suficiente para autorizar el tra-
fico sobre la obra.
• La resistencia mecánica final exigida para un material
de explanada.
Sin embargo, es utópico buscar una estabilización única
que responda a éstas dos exigencias ya que el conteni-
do natural en agua de los suelos es raramente constante
y homogéneo.
La experiencia en este campo asegura que un pre-trata-
miento con cal de los suelos arcillosos húmedos o secos
facilita notablemente el tratamiento con otros ligantes
hidráulicos (tratamientos mixtos) y mejora en gran medi-
da el nivel de los rendimientos finales.
En este caso. el estudio se descompone en dos fases
sucesivas:
• Búsqueda de la capacidad portante inmediata (el estu-
dio se realiza como el de la cal para terraplenes), y
• Búsqueda de la resistencia mecánica exigida, se estu-
dia la evolución de la resistencia mecánica del suelo
tratado a 7, 28, incluso a 90 días según la rapidez de la
reacción en función de la dosificación del cemento y de
otros aspectos, siendo el parámetro de medida, habi-
tualmente considerado, la resistencia a compresión
(Rc) medida en probetas cilíndricas, considerándose
admisibles Rc > 1 a 2 MPa (correspondientes aproxima-
damente a Rt > 0,1 a 0,2 MPa).
3. Bases y subbases
En el caso de las subbases y de las bases, la tarea es la
misma que la citada para las explanadas, pero general-
mente con niveles de exigencia más altos. Los estudios
son más amplios, ya que se presta un mayor interés a la
resistencia a tracción Rt del material asociado al módulo
de deformación Et, parámetros utilizados en el dimensio-
namiento de carreteras; e incluso si es conveniente se
procede a un estudio de comportamiento a la fatiga.
Especial IRF
1
ARTÍCULOLos impactos sobre el territorio, ocupación y fragmentación
Justo BORRAJO SEBASTIán Jefe del área de Carreteras de Gran Capacidad Dirección General de Carreteras. Ministerio de Fomento
RESUMEN
La biodiversidad es un concepto globalizador, con las ventajas e inconvenientes que esto plantea para su estudio. Garantizar su conservación es fundamental en un enfoque preventivo a largo plazo, que debe comenzar desde las etapas más tempranas de la planificación y establecer un sistema de áreas protegidas, complementado con unos corredores biológicos que permitan su conectividad.
El transporte, principalmente a través de sus grandes infraestructuras, puede producir unos graves efectos nega-tivos sobre la biodiversidad con la ocupación de suelos; alteraciones del relieve, la hidrología y la atmósfera; con-taminación acústica del aire, suelos y aguas; sobreexplotación de recursos no renovables; destrucción de la capa de ozono; riesgos del transporte de sustancias peligrosas y emisiones que provocan el calentamiento global y el cambio climático.
Los efectos principales sobre la diversidad biológica son la pérdida de efectivos y la fragmentación de poblaciones, la disminución de la diversidad genética y los ecosistemas. En este artículo se pasa revista principalmente a la frag-mentación y ocupación del hábitat y a las medidas para reducir dichos impactos, así como a los trabajos realizados por el Grupo de Trabajo sobre Fragmentación de Hábitats causada por infraestructuras de transporte.
Palabras clave: Biodiversidad, Infraestructura de transporte, Fragmentación, Medioambiente, Planificación viaria, Impacto mediambiental, Evaluación medioambiental, Ecología.
Especial IRF
2
ARTÍCULO
a biodiversidad o diversidad biológi-ca es la variedad y variabilidad de los
organismos vivos y los ecosistemas
de los que forman parte, siendo el
concepto más utilizado en el campo
de la conservación por su carácter
globalizador, permitir considerar a
la naturaleza como un todo y estudiar los efectos sobre
ella del mundo que estamos construyendo. En torno a la
biodiversidad se plantean dos objetivos bastantes anta-
gónicos: su conservación y su utilización, que se tratan
de conciliar con el tan manoseado concepto de uso sostenible o sostenibilidad y que, en general, se resuelve
con la victoria del denominado desarrollo sobre la con-
servación, olvidando que los recursos biológicos son
imprescindibles no solo porque proporcionan alimentos
y medicinas, sino también beneficios sociales, culturales
y ambientales que hacen que la conservación de la bio-
diversidad no sea solo una obligación ética, sino también
una necesidad de supervivencia.
La respuesta institucional que ratifica el concepto de bio-
diversidad, en el que la naturaleza deja de verse como
un conjunto de componentes aislados y se considera
como un conjunto global de ecosistemas interrelacio-
nados, se produce en el Convenio sobre la Diversidad Biológica, firmado en la Conferencia de las naciones Unidad de Medio Ambiente y Desarrollo, celebrada en
Río de Janeiro en 1992. España ratificó dicho Convenio
en 1993, estableciendo el actual Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino, una Estrategia para la Conservación y el Uso Sostenible de la Diversidad Biológica. En ella se estableció
un marco general para la política nacional
de conservación y utilización sostenible de la
diversidad biológica, se diagnosticó el estado
de la biodiversidad, se identificaron los pro-
cesos que están causando su deterioro y los
sectores que los provocan y se indicaban las
directrices y medidas que deberían seguir los
futuros planes sectoriales y programas espe-
cíficas del Estado, CC.AA., Corporaciones
Locales y sociedad en general.
En lo que se refiere al tema de este artículo
los principales principios orientadores son los
de prevención y planificación:
• La prevención exige pensar a largo plazo,
basándose en un diagnóstico dinámico
del estado de conservación del medio
y en la predicción de los efectos sobre
éste de las actuaciones que pretendamos
realizar.
• La planificación del territorio y la evaluación ambiental,
tanto de planes o programas como de proyectos, son
los instrumentos fundamentales para incorporar los
objetivos de sostenibilidad en las primeras etapas de la
toma de decisiones.
Para garantizar la conservación de la diversidad biológi-
ca es necesario que el establecimiento de un sistema
de áreas protegidas se complemente con el de unos
corredores biológicos que garanticen su conectividad. El
transporte, principalmente a través de sus grandes infra-
estructuras, puede producir unos graves efectos sobre
la biodiversidad con su:
• ocupación de suelos;
• alteraciones del relieve, la hidrología y la atmósfera;
• contaminación acústica, del aire, suelos y aguas;
• sobreexplotación de recursos no renovables;
• destrucción de la capa de ozono;
• riesgos del transporte de sustancias peligrosas, y
• emisiones que provocan el calentamiento global y el
cambio climático.
Los efectos principales de las alteraciones anteriores
sobre la diversidad biológica son la pérdida de efectivos
Foto 1. Paso de fauna específico para corzo.
L
Especial IRF
3
ARTÍCULO
y la fragmentación de poblaciones, la disminución de la
diversidad genética y la fragmentación, modificación y
destrucción de hábitats y ecosistemas.
La fragmentación y ocupación deL Hábitat
Las redes de transporte ocupan y dividen los hábitats
naturales dando lugar a fragmentos más aislados al crear
barreras entre ellos, lo que produce dos efectos princi-
pales sobre las especies:
• la reducción del tamaño de los fragmentos y su formato
que da lugar a que puedan no ser viables como sopor-
te de las especies más sensibles, y
• la reducción de la conectividad entre los fragmentos,
que puede hacer que el desplazamiento de los anima-
les entre ellos se dificulte o imposibilite.
En ambos casos, determinadas especies corren peligro
de extinción, lo que conlleva efectos globales negativos
sobre la diversidad biológica.
Las infraestructuras de transporte, principalmente carre-
teras y ferrocarriles, tienen efectos ecológicos primarios
y secundarios que pueden afectar de forma negativa
a la biodiversidad. Entre los primarios podemos citar
la pérdida de hábitat, el efecto barrera, la mortandad
causada por colisiones con vehículos, las molestias y
contaminación y la función ecológica de los márgenes.
Entre los secundarios, los cambios de usos del suelo, el
incremento de asentamientos humanos e industriales y
el aumento de la frecuentación. Además, estos efectos
están en gran medida asociados, lo que provoca que sus
consecuencias sinérgicas sean superiores.
La ocupación de terreno por la infraestructura es la
causa directa más evidente de la pérdida de hábitat,
además este efecto se agrava al considerar que no se
inutiliza solo el espacio físicamente ocupado sino que las
molestias del ruido y la contaminación extienden dicho
efecto a zonas mucho más amplias lindantes con las
infraestructuras.
En España las carreteras y sus bandas de afección ocu-
pan cerca del 1,5 por 100 de la superficie total del país, lo
que si en términos absolutos puede parece poco impor-
tante sí lo puede ser localmente.
Sobre la amplitud de la banda afectada junto a las infra-
estructuras de carreteras se han realizado muchos
estudios con resultados muy variables que van desde las
decenas hasta los centenares de metros, e incluso hasta
kilómetros dependiendo del impacto y considerando las
condiciones físicas y climáticas del entorno, los hábitats
afectados y la geometría y el tráfico de la carretera.
El efecto barrera puede ser uno de los impactos nega-
tivos más importantes de las infraestructuras de trans-
porte terrestre, ya que la capacidad de dispersión de los
organismos vivos es uno de los factores más importan-
tes para la supervivencia de las especies. La capacidad
para desplazarse por el territorio, en busca de comida
o refugio o para reproducirse, se ve afectada negativa-
mente por las barreras que, a veces, suponen las infra-
estructuras.
Las carreteras y ferrocarriles pueden suponer barreras
físicas o de comportamiento para algunos animales en
determinadas condiciones de diseño y uso. no es lo
mismo una carretera convencional con una intensidad
de tráfico inferior a 4.000 vehículos/día, que solo supon-
drá una barrera para las especies más sensibles, que
una autopista con más de 10.000 vehículos/día imper-
meable para la mayoría de las especies si no se planifica
y proyecta su trazado con cuidado y se adoptan medi-
das correctoras de diseño, de cerramientos y pasos de
fauna. Además, muchas especies de animales evitan las
zonas próximas a las carreteras por las molestias deri-
vadas de las actividades humanas, lo que aumenta el
efecto barrera físico de las mismas.
La alteración de las características ecológicas de los
hábitats adyacentes a las vías de comunicación terrestre
inducen cambios en la forma en que son utilizados por la
fauna y la flora. Los cambios hidrológicos producidos por
los movimientos de tierra pueden secar acuíferos, pro-
ducir inundaciones o erosionar los suelos, lo que influye
de manera muy directa sobre la vegetación y fauna aso-
ciados. Los contaminantes químicos (metales pesados,
sodio y cloro de las sales fundentes, monóxido y dióxido
de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos de los
gases de escape) también tienen importantes efectos
sobre los suelos, la vegetación y la fauna.
El ruido del tráfico afecta sobre todo a las personas, pero
también a numerosas especies de animales que no se
acercan a las carreteras. La iluminación nocturna puede
afectar a la mortandad de insectos lepidópteros (de
todos es conocido el caso de las mariposas nocturnas
asociadas a los coscojales de Aranjuez y sus problemas
con las variantes de dicha población).
La mortalidad por atropello es responsable de solo una
pequeña parte (menor del 4 por 100) de la mortalidad de
las especies más comunes (conejos, roedores, gorrio-
Especial IRF
4
ARTÍCULO
nes, etc.), pero puede ser un factor importante
y significativo para la supervivencia de la pobla-
ción local o global de algunas especies sensi-
bles o en peligro de extinción como puede ser
en nuestro país el lince ibérico. El número de
accidentes con aves también puede ser impor-
tante, sobre todo en carreteras que cruzan o
bordean humedales o que interceptan zonas
de paso como las existentes entre bosques y
pastizales.
En general, las especies más sensibles a las
barreras de las carreteras son las poco comu-
nes con pequeñas poblaciones locales y amplias
áreas de campeo (oso, lince, etc.) y las que
realizan desplazamientos diarios o estacionales
entre distintos hábitats locales (principalmente
algunas aves, ciervos y jabalíes en nuestro país).
En otros países europeos también tienen impor-
tancia las especies que, como el alce o el reno,
tienen que realizar grandes migraciones anuales.
Conviene destacar el valor de los márgenes de las infra-
estructuras lineales, ya que pueden constituir un nuevo
hábitat para algunas especies, con los efectos positivos y
negativos a que puede dar lugar. Así, si se gestionan bien,
pueden constituir refugios para determinadas especies,
aumentando las zonas de vegetación natural en zonas
densamente pobladas con escasez de las mismas, pero
también pueden conducir a los animales a zonas donde
la mortalidad es más elevada, e incluso pueden servir de
corredor de propagación de especies invasoras, como
ha ocurrido con el senecio de El Cabo en España.
Por último, entre los efectos ecológicos secundarios los
cambios de uso del suelo a que dan lugar las infraestruc-
turas, sobre todo de carreteras por la mayor accesibi-
lidad al territorio que proporcionan, pueden intensificar
los efectos negativos en la conservación de la diversidad
biológica que ya de por si genera la red de infraestructu-
ras. Así, la urbanización del territorio y el turismo con su
mayor frecuentación humana asociada, potenciada por
la mayor accesibilidad al territorio que plantean las carre-
teras, sobre todo las de gran capacidad, son fenómenos
muy preocupantes en cuanto a la conservación de la
biodiversidad.
La combinación de efectos que se han descrito conlleva
la fragmentación y ocupación de hábitats cuyo efecto
global debe contemplarse en un contexto paisajístico
amplio que conlleve la pérdida y aislamiento de los mis-
mos y los cambios en el uso del suelo próximo a las vías.
Los estudios sobre el efecto de las carreteras sobre el
paisaje, entendido como fenosistema o parte percepti-
ble de los ecosistemas, y sobre los efectos ecológicos
a gran escala se encarga la ecología del paisaje que,
en estos momentos, todavía no está muy desarrollada
en nuestro país, aunque existen esfuerzos significativos
como, por ejemplo, los realizados por Díaz Pineda y
otros(V), sobre paisaje cultural y estructura socioeconó-
mica y su aplicación a un territorio de Almería, donde se
cuantifica el impacto y las potencialidades de las activi-
dades turísticas.
medidas para reducir Los impactos de La ocupación y fragmentación de Hábitats
Las medidas que deben promoverse para reducir los
efectos negativos de la ocupación y fragmentación de
hábitats parten de tres principios básicos: prevención,
corrección y compensación(III). Además, es necesario
un seguimiento que permita establecer la eficacia de
las medidas adoptadas y asegurar que se alcanzan los
objetivos propuestos.
En la fase de prevención la herramienta fundamental es
la planificación a diferentes escalas: planes, programas,
estudios y proyectos, incluyendo tanto nuevas infraes-
tructuras como la mejora de las existentes. La Evaluación Ambiental de Planes y Programas y la Evaluación de Impacto Ambiental de estudios y proyectos son las herra-
mientas técnico-administrativas utilizadas para garantizar
que los aspectos ambientales, entre ellos la ocupación y
fragmentación de hábitats, son considerados en la toma
de decisiones sobre qué actuaciones deben realizarse y
con qué trazado.
Foto 2. Plantaciones de ocultación de vallado.
Especial IRF
5
ARTÍCULO
Decididas las actuaciones a realizar y sus trazados
ambientalmente viables en cuanto a ocupación, es
necesario diseñar las medidas correctoras y, en su caso,
compensatorias que mitiguen los impactos negativos de
la fragmentación asegurando una permeabilidad trans-
versal adecuada.
Las medidas para reducir la fragmentación de los hábi-
tats son de dos tipos:
• las que reducen directamente la fragmentación: pasos
adaptados de drenaje o vías pecuarias y pasos especí-
ficos de fauna (Foto 1), y
• las que mejoran la seguridad de la carretera y evitan los
atropellos de animales (vallados, gestión de márgenes,
dispositivos de escape, etc. Foto 2).
1. La fragmentación en los Planes y Programas
En los estudios técnicos realizados para la preparación
de un Plan Sectorial de Carreteras que desarrolle el Plan Estratégico de Infraestructuras y Transporte (PEIT) 2005-2020, y dentro del Informe de Sostenibilidad Ambiental, se ha evaluado la afección a la biodiversidad mediante
indicadores que tienen en cuenta los parámetros de
ocupación, densidad de espacios en las cercanías y
afección a los mismos, fragmentación del territorio y
afección a la fauna.
Para la cuantificación de la ocupación se ha conside-
rado una banda de 50 m, mientras para la afección se
tienen en cuenta bandas de 100 m, 200 m y 1000 m.
La situación de partida se ha valorado para los espa-
cios de la Red natura 2000 (LIC y ZEPA), Humedales
Ransar, Reservas de la Biosfera, IBA, Hábitats priori-
tarios, Espacios Protegidos de las CC.AA. y Parques
nacionales. La ocupación total actual es relativamente
baja en valores absolutos, ya que no se supera en ningún
caso el 0,4 por 100 de la superficie total de las diferentes
categorías.
La realización de todas las actuaciones previstas en
el PEIT no afectará por ocupación en ningún caso a la
categoría de Parques nacionales, pero sí a numerosos
espacios de la Red natura 2000 (68 ZEPA y 38 LIC) así
como a 24 hábitats prioritarios y 26 Espacios naturales
protegidos de las CC.AA. La afectación de estos mismos
espacios u otros cercanos depende de los trazados y de
la franja de afección que se considere.
Como el Plan Sectorial de Carreteras (PSC) no ha sido
aprobado y algunas de las actuaciones previstas en el
PEIT han sido o podrán ser descartadas por la Evaluación
de Impacto Ambiental (caso de la autopista de peaje
Toledo-Ciudad Real-Córdoba), no es posible cuantificar
la afección potencial sobre la biodiversidad que produci-
ría un hipotético PSC.
En cuanto a la fragmentación, definida como el proceso
de división de hábitats continuos en fragmentos que a
medida que se hacen más pequeños quedan más ais-
lados entre sí y que, en conjunto, ocupan solo una frac-
ción de la superficie original, se ha partido del Inventario nacional de Hábitats clasificándolos, de acuerdo con la
Directiva 92/43, en los nueve tipos básicos de la Tabla 1.
Como indicadores de fragmentación se ha considerado el
número de teselas afectadas, su área media y la relación
entre perímetro y área. Si el porcentaje de variación de los
indicadores es elevado nos indica que el área de hábitats
es muy pequeña o que se le afecta en mucha superficie,
debiéndose evitar en ambos casos la actuación.
La fragmentación afecta de modo desigual a los dife-
rentes tipos de hábitats, siendo los más afectados las
dehesas de encinas, los bosques de “castanea sativa”
y los ríos alpinos con vegetación leñosa en sus orillas de
“myricaria germanica” y “salix elaeagnos” (Anexo I de la
Directiva 92/43). En la mayoría de los hábitats afectados
se produce un aumento del número de teselas inferior al
5 por 100, lo que en valor absoluto no es muy elevado.
En cuanto a la superficie afectada, indicador que aporta
una información muy buena a la hora de analizar la posi-
ble fragmentación, los resultados indican que la pérdida
en la práctica totalidad de los mismos es inferior al 1 por
100 de su superficie. Los hábitats más afectados vuelven
a ser los ríos alpinos con vegetación leñosa en sus orillas,
que pueden resultar gravemente afectados sobre todo
si se considera que su área en la península es reducida.
Tipo I:hábitats costeros y vegetaciones talo-fíticas
Tipo II: dunas marítimas y continentes
Tipo III: hábitats de agua dulce
Tipo IV: brezales y matorrales de zona templada
Tipo V: matorrales esclerófilos
Tipo VI:formaciones herbosas naturales y seminaturales
Tipo VII: turberas altas y bajas, y áreas pantanosas
Tipo VIII: hábitats rocosos y cuevas
Tipo IX: bosques
Tabla 1: Tipos de hábitats básicos según la Directiva 92/43.
Especial IRF
6
ARTÍCULO
Considerando la relación perímetro-área, indicador que
trata de cuantificar la influencia de la forma de las teselas
lo que puede tener importancia en algunos procesos
ecológicos, la mayoría de los hábitats no la ven modifica-
da de forma significativa (en ningún caso se supera el 2
por 100 de variación).
En conclusión y considerando los tres indicadores calcu-
lados, se puede decir que la fragmentación por la realiza-
ción de las actuaciones de carreteras previstas en el PEIT
no será importante en valores absolutos para la mayoría
de los hábitats, aunque si puede serlo en algún caso
particular y sobre todo para los hábitats de bosques de
“castanea sativa” y los ríos alpinos con vegetación leñosa
en sus orillas de “myricaria germanica” y “salix elaeagnos”,
que son los más afectados en los tres indicadores.
Para valorar los efectos sobre la fauna de un posible
Plan Sectorial de Carreteras que desarrolle el PEIT se
han considerado tanto las especies de interés comu-
niatario (Anejos de la Directiva Hábitats y Anexo II de la
Directiva Aves), como las especies de protección estricta
que conforman los elementos básicos de la Red natura
2000, y las que se encuentran en las categorías de en peligro de extinción y vulnerables en el Catálogo nacional de Especies Amenazadas.
Además, se ha estudiado de forma pormenorizada la
afección a los cinco taxones de vertebrados que disponen
de planes de recuperación a nivel nacional: lince ibérico,
oso pardo, quebrantahuesos, urogallo cantábrico y águila
imperial. Las vías de gran capacidad que mayor afección
podrían producir son la autopista de peaje Toledo-Ciudad
Real-Córdoba y la autovía Linares-Albacete, sobre el lince
ibérico y el águila imperial. La primera ha sido declarada
ambientalmente no viable por la Declaración de Impacto Ambiental (DIA) de 29 de mayo de 2007, que concluye
que el proyecto es incompatible con la conservación de
hábitats y especies de interés prioritario y amenaza la
integridad de la Red natura 2000.
La autovía Linares-Albacete recibió una DIA positiva
el 21 de noviembre de 2006 tras un estudio comple-
mentario sobre la afección al lince ibérico que varió el
trazado e introdujo numerosos pasos de fauna y medi-
das compensatorias de revegetación de las vaguadas
y cauces de agua en los que se implantaron los pasos
de faunas específicos. El trazado se trasladó de la
ladera, por la que inicialmente discurría, hacia una lla-
nura septentrional, considerando los expertos que los
linces utilizaban la ladera como zona de campeo, en la
que era difícil predecir sus movimientos, y la llanura era
únicamente lugar de paso hacia otras zonas, por lo que
sus desplazamientos por la misma eran más previsibles
y se podían disponer las medidas adecuadas para evitar
los atropellos.
Por último, parece oportuno recordar que en la fase de
redacción de planes y programas no hay que limitarse a
evaluar los previsibles efectos sobre la biodiversidad de
los programas de creación de nuevas infraestructuras,
sino que deben incluirse programas o subprogramas
de integración ambiental de las infraestructuras exis-
tentes. Así, en los estudios para un Plan Sectorial de
Carreteras que desarrolle el PEIT y dentro del Programa
de Conservación y Explotación se propone incluir un
subprograma de calidad ambiental con actuaciones para
mejorar la integración territorial, paisajística y ambiental
de las carreteras existentes, tales como pasos especí-
ficos de fauna, mejora de la permeabilidad transversal,
plantaciones en las márgenes e integración ambiental de
los cauces afectados por las obras de drenaje.
2. Medidas correctoras y compensatorias
Antes de disponer medidas correctoras y compensa-
torias es necesario estudiar si existe un trazado que las
haga innecesarias, pues la auténtica política de protec-
ción de la biodiversidad es la preventiva.
Para ello, en la fase de estudio informativo de las carre-
teras y ferrocarriles se realiza una caracterización del
territorio que detecta los hábitats y espacios sensibles
que, si es posible, no deben ser atravesados por la infra-
estructura, y la planta y el perfil que permiten una menor
afección al paisaje.
Únicamente después de este ejercicio hay que pensar
en las medidas correctoras y compensatorias. Como
ya expusimos al principio del apartado Medidas para reducir los impactos de la ocupación y fragmentación de hábitats las actuaciones para proteger a la fauna
de los impactos de las infraestructuras lineales de
transporte y reducir la fragmentación del hábitat son
de dos tipos:
• las que reducen directamente la fragmentación conec-
tando los hábitats atravesados por la infraestructura, y
• las que mejoran la seguridad de la carretera y reducen
la mortalidad de los animales por colisiones con los
vehículos.
no hay que olvidar que algunas medidas pueden per-
tenecer a ambos grupos y que, además, pueden tener
efectos contradictorios, como los vallados que aunque
reduzcan los atropellos aumentan la fragmentación,
Especial IRF
7
ARTÍCULO
En España no existe legislación sobre medidas compen-
satorias y solo es aplicable la europea: Directivas de Aves (1979) y de Hábitats (1992). Aunque no existe todavía
mucha experiencia en nuestro país sobre aplicación de
medidas compensatorias, parece oportuno destacar
algunas que se han realizado últimamente.
Así, son frecuentes los convenios con las CC.AA. para
la transferencias de fondos que permitan la adquisición
de terrenos que aseguren su funcionalidad actual (caso
de la Autovía Trujillo-Cáceres), o los recuperen para la
creación de hábitats con mayor riqueza ecológica (caso
de la Autovía del Mediterráneo entre Motril y el límite con
la provincia de Almería donde se pretende evitar o limitar
la implantación de invernaderos).
También son frecuentes medidas como la implantación
de nidos artificiales para cernícalos, construcción de
charcas, repoblación de conejos y plantaciones de alfalfa
que sirvan de base alimentaria a rapaces o linces, insta-
lación de sistemas de prevención de electrocución en
tendidos eléctricos existentes, sustitución de cercas de
espino por malla ganadera, etc.
Por último, hay que señalar que, en cumplimiento de
las Declaraciones de Impacto Ambiental que incluyen la
obligatoriedad de ejecutar un programa de seguimiento
para conocer el funcionamiento de las medidas de pro-
tección de la fauna, se están realizando por la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento contra-
tos específicos. Los controles se llevan a cabo mediante
obtención de imágenes con cámaras activadas por
barreras de infrarrojos y detección de rastros sobre
polvo de mármol, tanto en pasos de fauna específicos
como en otros pasos, drenajes y túneles.
También se llevan controles sobre la mortalidad por atro-
pello en la propia carretera.
sobre todo si no se disponen los pasos transversales
suficientes.
Aunque la disposición de pasos específicos para la fauna
está cada vez más extendida, no hay que olvidar que
la adecuación de los pasos superiores o inferiores y los
drenajes pueden cumplir también de forma eficaz dicha
función y que su adaptación para que sirvan también a la
misma es mucho menos costosa (Foto 3).
Un aspecto que consideramos poco estudiado al menos
en la fase de planificación, es la ubicación de los pasos
de fauna, pues es preciso que se estudien in situ los
corredores de fauna, para que su eficacia sea real. De los
estudios, poco numerosos, realizados sobre utilización
de los pasos específicos de fauna en la fase de explota-
ción de las carreteras parece deducirse que su eficacia
es baja en muchos casos, por su mala ubicación o su
diseño poco adecuado.
Para elegir el tipo de paso más adecuado a cada caso
hay que tener en cuenta el paisaje, los hábitats afectados
y las especies a las que van destinadas las medidas. Así,
no es lo mismo el paso necesario para mantener la per-
meabilidad de un corredor regional de grandes mamífe-
ros, para lo que será necesario un gran ecoducto, que
mantener el corredor de migración de una población
local de anfibios, para lo que bastará con la adaptación
de un pequeño drenaje (ver Foto 3) .
Otro aspecto importante a considerar en la disposición
de medidas correctoras es la densidad de pasos de
fauna necesaria. Decidir el número y tipo de medidas
dependerá de las especies existentes y la distribución
de hábitats en la zona. En unos casos bastará con un
número pequeño de grandes pasos y en otros será
mejor disponer un mayor número de pequeñas dimen-
siones.
Otro aspecto importante, y a veces descuidado, es el
mantenimiento de los pasos, sobre todo los de drenaje.
Parece oportuno que en los contratos de conserva-
ción integral de las carreteras estatales se dé cada vez
mayor importancia a estas tareas, incluyendo informes
específicos sobre la eficacia de las medidas correctoras
adoptadas.
En cuanto a la aplicación de medidas compensato-
rias hay que destacar en primer lugar su carácter de
excepcionalidad, es decir solo deben utilizarse cuan-
do hayan fracasado las preventivas y correctoras. Su
aplicación incluye no solo los casos de pérdidas de
hábitats sino los casos en que su degradación afecte
a sus funciones.
Foto 3. Obra de drenaje ampliada a bóveda y con acera para paso de reptiles y anfibios.
Especial IRF
8
ARTÍCULO
adaptación de arquetas, cunetas y otros elementos
que puedan causar mortalidad de fauna (ficha 20).
referencias bibLiográficas
I. Delibes de Castro, M. (2006): “Carreteras, hábitat y bodi-
versidad. Integración Ambiental”. Revista Carreteras.
II. “Estrategia Española para la conservación y el uso sos-
tenible de la diversidad biológica”. Dirección General de
Conservación de la naturaleza
III. “Fauna y Tráfico. Manual europeo para la identifica-
ción de conflictos y el diseño de soluciones” (2005).
Organismo Autónomo Parques nacionales. Ministerio
de Medio Ambiente.
IV. “Pasos de fauna para vertebrados. Minimización y
seguimiento del efecto barrera de las vías de comuni-
cación” (2006). Centro de Publicaciones. CEDEX.
V. Pineda, F.D. et al. (2005): “Paisaje Cultural y Estructura
Socioeconómica”. Consejería de Medio Ambiente.
Junta de Andalucía
VI. “Prescripciones Técnicas para el diseño de pasos
de fauna y vallados perimetrales” (2006). Organismo
Autónomo Parques nacionales. Ministerio de Medio
Ambiente.
VII. Rosell, C. et. al (2003): “La fragmentación del hábitat
en relación con las infraestructuras de transporte en
España”.
grupo de trabajo sobre fragmentación de Hábitats causada por infraestructuras de transporte
El Grupo de Trabajo está integrado en la Comisión nacional de Protección de la naturaleza e incluye
representantes de todas las administraciones de
transporte y medio natural, tanto de las CC.AA.
como de la Administración Central, así como de
otras entidades implicadas en el tema. Las reunio-
nes se celebran en la Dirección General para la Biodiversidad del Ministerio de Medio Ambiente,
que ostenta la secretaría técnica del Grupo.
En la última reunión del Grupo, a la que asiste
regularmente un representante de la Dirección General de Carreteras, se presentó la publicación
del Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino, Prescripciones Técnicas para el diseño de pasos de fauna y vallados perimetrales(VI),
redactado a partir de las directrices del manual europeo
COST 341 Fauna y Tráfico, y está en redacción una segun-
da publicación sobre prescripciones técnicas para el segui-
miento y evaluación de la efectividad de los pasos de fauna.
El año 2008 está prevista la publicación de un documento
sobre prevención de la fragmentación de hábitats en la
fase de planificación de infraestructuras.
Las Prescripciones Técnicas para el diseño de pasos de fauna y vallado perimetrales(VI), incluyen en una serie de
fichas con fotografías de realizaciones y las prescripciones
técnicas para el diseño correcto de once tipos de pasos
de fauna adecuados para distintos grupos taxonómicos
y contextos paisajísticos. Se establecen las dimensiones
mínimas y recomendadas para cada tipo. Además:
• se describen las dimensiones y características de los
accesos (ficha 112) y de la superficie del paso,
• se muestran ejemplos de los errores y malas prácticas
más frecuentes que comprometen la eficacia de estas
estructuras, y
• se incluyen fichas sobre:
vallados perimetrales (nº 13 para grandes mamífe-
ros y nº 14 para pequeños vertebrados),
sistemas de escape (ficha 15, ver Foto 4),
gestión de la vegetación de los márgenes (ficha 16),
refuerzo de la señalización de advertencia (ficha 17),
dispositivos disuasorios (ficha 18),
señalización de pantallas transparentes para evitar
la colisión de aves (ficha 19), y
Foto 4. Dispositivo de escape.
Especial IRF
1
ARTÍCULOEstudio comparativo de la fatiga de betunes y mezclas bituminosas
RESUMEN
Uno de los fallos más comunes de las mezclas bituminosas es la fatiga, razón por la cual muchos autores han inves-tigado este fenómeno, basándose fundamentalmente en estudios individuales sobre el betún o sobre la mezcla bitu-minosa. El objetivo de este trabajo es establecer una correlación entre el comportamiento a fatiga de los betunes con el comportamiento a fatiga de las mezclas bituminosas fabricadas con ellos. Para ello, se han determinado las leyes de fatiga de diferentes betunes convencionales y modificados con polímeros mediante ensayos en el reómetro de corte dinámico (DSR) y las de las correspondientes mezclas a partir de ensayos a flexotracción dinámica.
Palabras clave: Fatiga, Betún, Mezcla bituminosa, Deformación crítica, Reología, Betún modificado con polímeros (BMP), Reómetro de corte dinámico (DSR), Flexotración dinámica.
Oscar REyEs ORTIz Profesor. Universidad M. Nueva Granada Bogotá-Colombia Doctorando de la UPCFélix PéREz JIMéNEz Catedrático Universidad Politécnica de Cataluña (U.P.C.)Rodrigo MIRó RECAsENs Catedrático Universidad Politécnica de Cataluña (U.P.C.)Alfredo HERNáNDEz NOGUERA Ingeniero Civil Doctorando de la U.P.C.
Especial IRF
2
ARTÍCULO
l fallo por fisu-
ración por fati-
ga de las mez-
clas bitumino-
sas no suele
producirse en
la mayoría de
los ensayos de una forma brusca,
fisurándose totalmente el material,
lo que permitiría fácilmente deter-
minar el número de ciclos asocia-
dos al fallo por fatiga, sino que en la
mayoría de los ensayos tiene lugar
un progresivo deterioro del mate-
rial, daño continuo, sin que llegue
a producirse la fisuración completa
de la probeta. El fallo por fatiga en
mezclas bituminosas se determina
de dos formas, mediante ensayos
realizados a tensión controlada o
ensayos a deformación o desplaza-
miento controlado.
En el caso de tensión controlada,
se registra la deformación produ-
cida por la probeta al aplicar una
tensión o carga constante. La resis-
tencia a fatiga del material se asocia
a la rotura o cuando el módulo de
la mezcla se reduce en un 10%. En
el caso de deformación o despla-
zamiento controlado, se registra la
evolución de la carga durante el
ensayo. se considera que se ha
producido el fallo por fatiga cuando
la carga o el módulo del material
ensayado se reduce a la mitad.
Estos mismos tipos de ensayo y
de criterios son empleados en la
caracterización de ligantes bitumi-
nosos frente a la fatiga.
A pesar de la claridad con que se
definen los criterios de fallo por
fatiga, no resulta sencilla su aplica-
ción en la práctica, debido, sobre
todo, a la forma que tienen las
curvas donde se recoge la evolu-
ción de los parámetros que indi-
can el fallo por fatiga. Estas cur-
vas tienen la forma de s y según
varios autores (I, II, III) en el proceso
de fatiga podrían distinguirse tres
fases, Figura 1.
EFigura 1. Evolución del módulo de la mezcla bituminosa con los ciclos
Figura 2. Variación del ratio de energía disipada a tensión controlada
Figura 3. Variación del ratio de energía disipada con deformación controlada
Especial IRF
3
ARTÍCULO
En la primera fase se produce
un rapido descenso del módu-
lo de la mezcla, que según Di
Benedetto et al.(I), es debido a
que se genera un calentamiento
de la mezcla por su comporta-
miento viscoso y esto da lugar
a una pérdida de módulo en
el que también tiene influencia
la tixotropía y fenómenos loca-
les. La segunda fase es la que
muestra una pérdida continua
del módulo, que según estos
autores, es la que realmente
se debería asociar con el pro-
ceso de fatiga. En esta fase es
cuando se van produciendo los
pequeños fallos y microfisuras
en la mezcla. La tercera fase es
donde aumenta la densidad de fallos y se originan las
fisuras, creando un decremento rápido del módulo de
la mezcla.
Khalid y otros autores (IV, V) han estudiado el proceso de
fatiga de mezclas a partir de la energía que el material va
disipando en cada ciclo de carga, determinado a partir
del estado de tensiones y deformaciones a que está
sometido el material, y como éste se incrementa en el
ensayo de tensión controlada cuando se inicia el fallo
de la probeta, mientras que disminuye en el ensayo de
fatiga a deformación controlada.
En el caso de un ensayo de carga cíclica a tensión o
deformación controlada la energía disipada en cada ciclo
viene dada por la siguiente expresión:
θπσε senw = (I)
donde:
w = Energía disipada,
σ = Tensión aplicada,
ε = Deformación aplicada, y
θ = ángulo de desfase.
Este proceso permite obtener de forma más sencilla,
sobre todo en el caso del ensayo a tensión controlada,
el fallo por fatiga de la probeta. Además, este criterio
de fallo corresponde en ambos casos a una situación
física de la probeta, momento cuando la densidad de
microfisuración es muy alta y empieza a producirse la
fisura y rotura rápida de la probeta.
Delgadillo y Bahia [6] aplican también estos conceptos
anteriormente enunciados en el estudio a fatiga de
ligantes bituminosos. Ambos autores han estudiado la
fatiga con ensayos en el reómetro de corte dinámico,
mediante el análisis de la energía disipada (ecuación nº
1) y el ratio de energía disipada (ecuación nº 2), deter-
minando que al graficar el ratio de energía disipada con
respecto a los ciclos de carga o deformación contro-
lada, se crea una curva que parte del origen con una
pendiente constante y que después de varios ciclos
se produce una separación, sitio donde se originan las
grietas.
Para ensayos a tensión controlada la separación se
produce descendentemente, alcanzando un valor
máximo, lugar donde se propagan las grietas y se
produce el fallo por fatiga, Figura 2. En el ensayo a
deformación controlada la separación es ascendente,
llegando al sitio de fallo por fatiga cuando la separa-
ción alcanza un valor del 20% con respecto a la línea
de tendencia, Figura 3. Este criterio es utilizado por
Bahia y Delgadillo en la determinación al fallo a fatiga
de los betunes.
nnn
n
iii
sen
senDER
φεπσ
φεπσ∑= 1
[2]
donde:
DER = Ratio de energía disipada ciclo i,
σ = Tensión aplicada ciclo i,
ε = Deformación aplicada ciclo i, y
Figura 4. Deformación crítica de una mezcla bituminosa.
(I)
Especial IRF
4
ARTÍCULO
θ = ángulo de desfase ciclo i.
Pérez y otros (VIII, IX, X) han inves-
tigado el comportamiento a
fatiga de mezclas bituminosas
en ensayos a flexo-tracción en
tres puntos con desplazamien-
to controlado, enfocando espe-
cialmente el estudio a la evolu-
ción de las deformaciones. De
los resultados obtenidos, han
demostrado que, sin impor-
tar el nivel de desplazamiento
impuesto a la mezcla y el mate-
rial empleado en su fabrica-
ción (virgen y reciclado), existe
un nivel de deformación en la
cual, la deformación aumenta
rápidamente y se produce el
fallo. Está deformación ha sido
denominada deformación críti-
ca, Figura 4. Adicionalmente, se
observó que la pendiente de la
curva de ley de fatiga es menor
en la medida que el módulo del
ligante o de la mezcla se incre-
menta.
Estudios rEalizados
El estudio realizado ha consistido en determinar el
fallo a fatiga de diferentes tipos de betunes, Tabla 1,
mediante el empleo del reómetro dinámico de corte
(DsR) y el ensayo a fatiga a flexotracción de dife-
rentes mezclas de la misma granulometría, Figura 5,
fabricadas con estos ligantes. Dos de estos betunes
son convencionales, tipo B13/22 y B60/70, y el terce-
ro es un betún modificado con polímeros (BMP), tipo
BM-3b.
1. Ensayos en el reómetro de corte dinámico
Para obtener la ley de fatiga de los betunes estudiados,
se realizaron ensayos a tensión controlada entre 1.000
y 9.000 Pa en el reómetro de corte dinámico, donde se
midió la evolución de la deformación con los ciclos de
carga (ver Foto 1).
Los ensayos en el DsR se realizaron en muestras cilín-
dricas de 8 mm de diámetro por 2 mm de altura, a una
frecuencia de 1,59 Hz y a 20ºC, Figura 6. La función de
carga cíclica utilizada en los ensayos fue sinusoidal a ten-
sión controlada y el cálculo de la deformación se realizó
a partir de la relación entre la altura y el ángulo de giro en
la parte superior de la muestra, tal como se observa en
la Figura 7.
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO (ABERTURA TAMIZ 0.45). HUSO S12
TAMICES UNE (mm)
70
40
50
60
80
90
100
0
10
20
30
Pas
a (%
)
0,500 2 4 12,5 20 25 40
0,063
0,125
0,250 8
Figura 5. Curva granulométrica de la mezcla S-12
Características Unidad Norma NLTTipo de Betún
B13/22 B-60/70 BM-3b
Penetración a 25ºC, 100 g 0,1 mm 124/84 17 64 60
Índice de penetración 181/88 0,1 -0,5 2,4
Punto de Reblandecimiento A y B
ºC 125/84 67,3 50,6 64,4
Punto de Fragilidad Fraass ºC 182/84 5 -13 –
Densidad gr/cm3 122/91 – 1.034 –
Tabla 1. Características de los betunes empleados.
Figura 6. Esquema del ensayo a fatiga de betunes en el reómetro de corte dinámico (DSR)
Especial IRF
5
ARTÍCULO
El criterio de fallo utilizado para determinar la ley de fatiga
consistió en calcular el valor máximo del ratio de energía
disipada (DER, ecuación nº2), Figura 8, ciclo donde el
material presenta la fatiga. La ley de fatiga de los tres
betunes estudiados (convencionales, B 13/22, B 60/70
y modificado BM 3-b) se representa en escala logarít-
mica y en ella se relaciona el numero de ciclos de rotura
con la deformación inicial,
Figura 9.
También se ha obtenido
la evolución de la defor-
mación durante la realiza-
ción del ensayo de los tres
betunes, Figuras 10, 11 y
12. En ellas puede obser-
varse como prácticamente
todas las muestras rom-
pen a un mismo nivel de
deformación, que en el
caso del betún modificado
está en el rango de 0,15
a 0,20 y en el caso de los
betunes convencionales
entre 0,08 y 0,12 para el
betún B-60/70 y de 0,04 a
0,06 para el betún B-13/22.
si ahora se comparan estos resultados con las leyes de
fatiga obtenidas, Figura 9, se observa como la ley de
fatiga del betún modificado, que se encuentra en la parte
superior de la figura, es la que, para una misma defor-
mación inicial, soporta mayor número de aplicaciones
de carga, necesitando más número de aplicaciones de
carga para llegar a su nivel de deterioro. Por el contrario,
Foto 1. Equipo del reómetro de corte dinamico (DSR).
Figura 7. Función de carga y cálculo de la deformación en los ensayos en el DSR
Figura 8. Ciclo de fallo con el cálculo del ratio de energía disipada
12000
10000
8000
6000
4000
2000
02000010000 30000 5000040000 60000 70000 80000 90000
ciclos
0
Re
lac
ión
dis
ipa
ció
n e
ne
rgía
Especial IRF
6
ARTÍCULO
el betún B-13/22, alcanza su nivel de
deformación con muy pocas aplicacio-
nes de carga.
Por otra parte, también es intere-
sante analizar las pendientes de las
curvas de evolución de deterioro del
betún B-60/70 y B-13/22. En el caso
del betún más blando, con un menor
módulo de rigidez, la pendiente de
estas curvas es mayor y cada aplicación
de carga supone un mayor aumento de
la deformación. Por el contrario, en el
caso del betún B-13/22, con un mayor
módulo de rigidez, el incremento de
deformación en cada ciclo es mucho
menor. Esto lleva a que la pendiente de
la ley de fatiga representada en escala
logarítmica sea menor (menor valor de
b), cuanto mayor sea su módulo.
2. Ensayo en mezclas
se ha determinado la ley de fati-
ga, con control de desplazamiento
mediante el ensayo a flexotracción
dinámica, de acuerdo a la norma
española NLT-350/90 (ver Foto 2).
El ensayo consiste en fabricar una
muestra prismática y fijarla en sus extre-
mos por el lado mayor. Posteriormente
se aplica una carga sinusoidal a despla-
zamiento controlado en el centro de la
probeta y se determina la deformación
en el extremo contrario a la aplicación de
la carga, Figura 13.
El criterio de fallo por fatiga corresponde
cuando el módulo desciende a la mitad
del valor inicial, Figura 14. En la Figura 15
se han representado las leyes de fatiga
obtenidas para estas tres mezclas.
También se ha obtenido en estos ensa-
yos la evolución de la deformación en
la fibra inferior de la probeta que apa-
rece en las Figuras 16 y 17 para el
betún B-60/70 y B-13/22, respectiva-
mente. En ellas se puede observar que
el fallo por fatiga ocurre al mismo nivel
de deformaciones con independencia
de la deformación o tensión inicial. La
mezcla fabricada con el betún B-60/70
DEF
OR
MA
CIÓ
N IN
ICIA
L B-13/22
y= 0,1113x -0,1452
R2= 0,7422
B-60/70
y= 0,2132x -0,1182
R2= 0,7608
BM -3b
y= 0,68x -0,1877
R2= 0,9224
1,00
0,10
0,01CICLOS
LEYES DE FATIGA
BETUNES B-13/22 , B-60/70 y BM-3bLEYES DE FATIGA
BETUNES
Figura 9. Ley de fatiga de diferentes betunes
0,00
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
CICLOS VS DEFORMACIÓNFrecuencia 1.59 Hz ºT 20
Asfalto BM3B
CICLOS
Def
orm
ació
n γ
4000 Pa
2500 Pa
2800 Pa
2750 Pa
2300 Pa
2100 Pa
Figura 10. Evolución de la deformación con los ciclos de carga. Betún BM-3b.
CICLOSa b c d e f g h
d g b t e h c a
CICLOS VS DEFORMACIÓNFrecuencia 1:59 Hz ºT 20
Asfalto 13-22
0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 80.000 90.0000,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
Def
orm
ació
n γ
3.000pa 5.500pa 2.750pa 4.500pa 3.500pa 3.750pa 4.500pa 4.000pa
Figura 11. Evolución de la deformación con los ciclos de carga. Betún B-13/22
Especial IRF
7
ARTÍCULO
falla a una deformación unitaria mayor que la fabricada
con el betún B-13/22, a 0,0008 y 0,0005 mm/mm res-
pectivamente.
Por otra parte, la mezcla fabricada con el betún modifi-
cado rompe a una deformación crítica de alrededor de
0,0012 mm/mm. Esto hace que al obtener las leyes de
fatiga, Figura 15, la mezcla fabricada con el
betún modificado se encuentre en la parte
superior de la figura, mientras que la mez-
cla fabricada con el betún B-13/22 se sitúe
en la parte inferior. Es decir, se colocan en
el mismo orden que las de los betunes.
ConClusionEs
El estudio muestra, tal como se ha indica-
do en la presentación del trabajo, el efecto
tan importante que tiene el módulo y la
deformación crítica en el fallo por fatiga de
ligantes y mezclas bituminosas. En el caso
de los ligantes con el mismo módulo, su
comportamiento a fatiga es tanto mejor
cuanto mayor sea su deformación crítica.
se observa también la dependencia que existe entre el
comportamiento a fatiga de la mezcla y el betún emplea-
do en su fabricación. A pesar de su bajo contenido en
la mezcla, 4,5% en peso, el efecto del tipo de ligante
empleado es muy significativo en su respuesta.
Esta deformación crítica ha sido mostrada en otros
estudios y está relacionada con la ductilidad del ligante,
de forma que cuando más dúctil sea el ligante, para el
mismo módulo, mejor será su comportamiento a fatiga.
rEfErEnCias BiBliográfiCas
I. Di Benedetto, H.; de La Roche, C.; Baaj, H.; Pronk, H.;
Lundström, R. “Fatigue of bituminous mixtures: different
approaches and RILEM group contribution”, 6th RILEM
symposium PTEBM’03, zurich, 2003, p.15-38.
CICLOS0 5.000 15.000 20,000 25,00010.000
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
3000Pasep20 2500Pasep18 2500Pasep13b 1750Pasep22 2250Pasep18 2250Pasep20
a b c d e f
c ad f e b
CICLOS VS DEFORMACIÓNFrecuencia 1:59 Hz ºT 20
Asfalto 60-70
Def
orm
ació
n γ
Figura 12. Evolución de la deformación con los ciclos de carga. Betún B-60/70
Foto 2. Ensayo de flexotracción dinámica con 3 puntos de apoyo
Specimen
Extensometer
Displacement
Figura 13. Esquema del ensayo de flexotracción dinámica en tres puntos de apoyo Figura 14. Evolución del módulo con los ciclos. Betún B-60/70
Desplazamiento
Probeta
Extensómetro
Especial IRF
8
ARTÍCULO
II. Planche, J.P.; Anderson, D.; Gauthier, G.; Le Hir, y;
Martin, D. “Evaluation of fatigue properties of bitu-
minous binders”. 6th RILEM symposium PTEBM’03,
zurich, 2003, p.110-116.
III. Roque, R.; Lytton, R.; Uzan, J.; Fernando, E.;
Hiltunen, D.; stoffels, s. “Development and
validation of performance prediction models
and specifications for asphalt binders and
paving mixes”, strategic Highway Research
Program. sHRP-A-357, 1993, National
Research Council.
IV. Khalid, H.; Artamendi, I. “Characterization of
fatigue damage for paving asphaltic mate-
rials”. Fatigue & Fracture of Engineering
Materials & structures, Blackwell Publishing
Inc., sheffield, UK, No. 28, 2005, p. 1113-
1118.
V. Khalid, A. G. Carpenter, samuel H. “Fatigue
damage analysis in asphalt concrete mixtu-
res using the dissipated energy approach”
Canadian Journal Civil engineering. N.33.
2006. p.890-901.
VI. Delgadillo, R.; Bahia, H. “Rational fatiguie
limits for asphalt binders derived from pave-
ment analysis”. Association of Asphalt Paving
Technologists. March 7-9. 2005.
VII. Normativa española. NLT 350/90. “Ensayo
a flexotracción dinámica en tres puntos de
apoyo”. 1990.
VIII. Pérez, F.; Miro, R.; Martínez, A.; Alonso,
J.; Cepeda, J.; Rodríguez, M. “Desarrollo
de un nuevo procedimiento para la
evaluación del comportamiento a fati-
ga de las mezclas bituminosas a par-
tir de su caracterización en un ensa-
yo a tracción”. Premio Internacional a
la Innovación en Carreteras. Premio
Juan Antonio Fernández del Campo.
Asociación Española de la Carretera.
Madrid. 2006.
IX. Pérez, F.; Miro, R.; Martínez, A. “Analysis of the
fatigue process in bituminous mixes. Fatigue
critical strain”. Transportation Research Board
86th Annual Meeting. Washington, EEUU,
21-25 de Enero de 2007.
X. Pérez, F.; Miro, R.; Martínez, A. “Relación
entre la respuesta mecánica de las mezclas
bituminosas a tracción directa y su com-
portamiento a fatiga”. XIV Congreso Ibero-
Latinoamericano del Asfalto. La Habana,
Cuba, 18-23 de Noviembre de 2007. .
FATIGUE LAW
UN
IT S
TRAI
N (m
m/m
m)
0,01000
0,000011,E+04 1,E+05
Nº CYCLES1,E+06
0,00010
0,00100
B13/22, T:20ºCy= 0,002x0,1439
R2=0,8026
B60/70, T:20ºCy= 0,0029x0,1586
R2=0,8166
BM-3B, T:20ºCy= 0,0042x0,1706
R2=0,9107
Figura 15. Leyes de fatiga en mezclas bituminosas
Series 1Series 2Series 4Series 6
THREE-POINT BENDING FLEXURAL TEST
Nº CYCLES
Un
it S
trai
n (m
m/m
m)
Figura 16. Evolución de la deformación con los ciclos para la mezcla con betún B-60/70
0
0.003000
SERIES 1SERIES 2SERIES 3SERIES 4SERIES 5
0.002500
0.002000
0.001500
0.001000
0.000500
0.000000100.000 200.000 300.000
Nº CYCLES
UN
IT S
TRAI
N (m
m/m
m)
B13/22
400.000 500.000 600.000
Figura 17. Evolución de la deformación con los ciclos para la mezcla con betún B-13/22
ENsAyO DE FLEXOTRACCIóN DINáMICA A TREs PUNTOs DE APOyO
NÚMERO DE CICLOs
DE
FO
RM
AC
IóN
UN
ITA
RIA
(M
M/M
M)
DE
FO
RM
AC
IóN
UN
ITA
RIA
(M
M/M
M)
DE
FO
RM
AC
IóN
UN
ITA
RIA
(M
M/M
M)
NÚMERO DE CICLOs
NÚMERO DE CICLOs
LEy DE FATIGA
Especial IRF
1
ARTÍCULO
Túneles con tuneladoras. Las mayores tuneladoras del mundo (I)Álvaro FERNÁNDEZ COTA Gerente de la U.T.E. By-Pass Sur de la M-30. Túnel Sur. DRAGADOS S.A.
Enrique FERNÁNDEZ Director de Obras Subterráneas. Dirección Técnica de DRAGADOS S.A.
RESUMEN
Las dos obras del By-Pass Sur de la M-30 crearon, mediante dos túneles de 15 m de diámetro excavados con tune-ladora, un desvío que descongestionó el entorno sur de ésta vía al separar el tráfico de la misma que era ajeno a los enlaces del Nudo Sur.
Este artículo describe las características y ejecución del Túnel sur y de la tuneladora Tizona, que fue junto con su compañera Dulcinea la tuneladora más grande del mundo en esos días. Es de resaltar que la excavación del Túnel Sur, de 3.660 m, se realizó en tan sólo 200 días (11 Abril de 2006/ 27 Octubre de 2006) con unos rendimientos pun-tuales (46 m/día) y medios (557 m/mes) excepcionales para una máquina de ese diámetro, y todo ello con unas condiciones difíciles de arranque, de cruce bajo edificios y logísticas.
Palabras clave: Túnel, Tuneladora, M-30, Dovelas, By Pass Sur, Corona de excavación.
Especial IRF
2
ARTÍCULO
de 400 accidentes menos cada año en este anillo de
circunvalación. Del mismo modo se prevé que estos
valores se incrementen en los años sucesivos.
La zona oeste de Madrid por donde transcurre el
cauce del río Manzanares paralelo a la M-30 es la más
beneficiada por esta transformación, ya que en ella
se restituyen las antiguas praderas de San Isidro y se
eliminan las barreras que suponían los trazados actuales.
Sección tipo de loS túneleS del by-paSS Sur
Uno de los mayores retos de esta remodelación no
se refiere al propio anillo de circunvalación sino a su
conexión con la A-3, autovía de Levante. Este enlace
es el más congestionado en la actualidad y uno de los
que soporta una mayor densidad de tráfico en España
con más de 250.000 vehículos diarios. Su remodelación
es el principal objetivo del By-pass Sur, que se trata
específicamente en otro de los artículos de este número
especial de la revista Carreteras.
La única respuesta a este problema es la
construcción de un túnel ya que su
trazado transcurre en parte bajo
edificios residenciales. La solución
final adoptada ha sido la de
construir túneles bitubo, con
un tubo para cada sentido
de tráfico, capaces de
albergar tanto tráfico
ligero como pesado.
Las calzadas tienen
3,5 m de ancho, los
arcenes 0,5 m y las aceras
0,8 m (ver Figura 1).
El gálibo libre es de 4,5 m
estando la calzada ubicada un
metro por debajo del diámetro
horizontal del túnel. Con estas
premisas ha sido necesario
diseñar túneles de 13,45 m de
diámetro interior. Debido a la
forma circular de los mismos, es
posible albergar asimismo dos carriles de emergencia
en su parte inferior (5,5 x 4 m).
La longitud total de cada tubo es de 3.660 m y se
conectan entre sí mediante 8 galerías de conexión de
las que tres son para vehículos y el resto exclusivamente
para personas (Figura 2). Cada tubo dispone de su
Figura 1. Sección tipo del túnel.
l anillo interior de circunvalación de
Madrid, llamado M-30, abarca una
superficie de 42 km2 y en su interior
reside un millón de habitantes
aproximadamente. Fue construido
a lo largo de diferentes fases entre
los años 60 y 80. Los criterios
seguidos en estas diversas fases no fueron siempre
homogéneos, dándose casos de zonas reguladas
con semáforos frente a otras con características de
autopista. La presencia de nudos complicados, no
siempre evidentes, y cambios continuos en el número
de carriles de las calzadas principales han supuesto a lo
largo de las últimas décadas la profusión de accidentes
de tráfico, así como tremendas aglomeraciones en
horas punta. Otra consecuencia no menos desdeñable
ha sido el enorme impacto ambiental y polución acústica
causada en zonas residenciales de la capital.
El alcalde de Madrid tomó la decisión, al inicio de la
legislatura 2003–2007 y basándose en criterios socio
económicos y medioambientales, de reconstruir la M-30
siguiendo los principios de desarrollo sostenible que se
enumeran a continuación:
• Convertir en subterránea gran
parte del nuevo anillo así como
sus enlaces, a fin de restituir
nuevas zonas verdes que
permitan disminuir el
impacto ambiental,
• Aumentar la
capacidad del trafico
rodado, mejorando la
fluidez del mismo,
• Aumentar la seguridad del
tráfico mediante paneles
informativos claramente
visibles y evitando los maniobras
peligrosas, y
• Rediseñar los enlaces con las 6
radiales así como con otras salidas
y entradas a la ciudad.
El proyecto total de remodelación asciende a 3,7 billones
de euros. A su finalización, mediados del 2007, se espera
poder ahorrar 14 millones de horas en desplazamientos, lo
que representa un ahorro anual de 4,5 millones de euros
en consumo de combustible. No menos importante será
la reducción, en términos de contaminación, de 35.000
toneladas anuales de emisiones de CO2 y una previsión
E
Especial IRF
3
ARTÍCULO
propio pozo de ventilación situado en el tercio central del
trazado. La protección contra el fuego de estos túneles
urbanos se ha resuelto mediante la incorporación de
fibras de polipropileno en el revestimiento de hormigón.
La cobertura máxima de los túneles es de 65 m siendo
la media de 30 m, o lo que es lo mismo, de 2 diámetros.
Los portales de ataque, situados uno a cada extremo del
trazado, se han diseñado mediante pozos rectangulares
con un recubrimiento inferior a 15 m a fin de reducir su
altura. Ello ha obligado a realizar tratamientos de mejora
del terreno en ambos inicios y a lo largo de los primeros
metros de túnel.
Método de excavación Seleccionado
1. Método de excavación
Como se ha indicado anteriormente, se ha transferido
parte del nuevo trazado de la Calle 30 al subsuelo. Para
ello se han empleado diversos sistemas o técnicas de
excavación, desde el método de Madrid, pasando por el
falso túnel y por supuesto el empleo de las tuneladoras.
El método del falso túnel, pantallas y losa, es el más
económico teniendo en cuenta el terreno de Madrid. No
obstante presenta una serie de inconvenientes como
son la reubicación de servicios afectados en zonas
densamente pobladas, un mayor volumen de excavación
y consiguientemente de transporte a vertedero, cada
vez más escasos en las proximidades de la capital y
que por tanto lo hace menos interesante que la opción
del túnel en mina. Esta última opción permite además el
mantener los trazados bajo edificaciones o monumentos
históricos.
El método de Madrid es un método de excavación en
túnel de forma artesanal y es empleado en la capital con
éxito para pequeños túneles, cavernas y galerías. Se basa
en una excavación por fases y se adapta perfectamente a
variaciones en geometría de
las estructuras excavadas.
En lo que se refiere a
los túneles del By pass
Sur, al tener un diámetro
de excavación de 15 m,
no era factible pensar en
su ejecución en modo
abierto teniendo en
cuenta además el plazo
tan restrictivo de que se
disponía para su ejecución. Figura 2. Vista 3D de los túneles y galerías de conexión.
Los terrenos de Madrid se adaptan perfectamente
para su excavación mediante el empleo de tuneladoras
del tipo EPB (“Earth Pressure Balance” equilibrio de
presión de tierras) tal y como ya se había confirmado en
las experiencias obtenidas en los trabajos realizados en
el Metro de Madrid a lo largo de los últimos años.
Por ello, en julio del 2004 se encargó la construcción de
dos tuneladoras del tipo EPB de 15 m de diámetro que
resultaron ser las mayores del mundo.
La geología de Madrid y más específicamente de la zona
donde se desarrolló el proyecto de los túneles del by
pass Sur presenta las siguientes características:
• Depósitos aluviales hasta 20 m de profundidad,
• Arcillas arenosas (Peñuela) con espesores de 20 a
30 m, y
• Arcilla con niveles de ye so (Peñuela yesífera) con
espesores de 20 a 25 m.
En cuanto a los parámetros geotécnicos, la Peñuela
presenta una cohesión de = 60 kPa, un ángulo de
fricción interno de φ’= 28º y un módulo de deformación de
E = 220 MPa. El contenido en finos que atraviesa el tamiz
200 alcanza el 85-95%. Los túneles se construyeron
bajo el nivel freático y con una carga hidrostática máxima
de 40 m.
El revestimiento está conformado por 9 dovelas de 60
cm de espesor y 2 metros de ancho configurando un
anillo del tipo universal. Las dovelas van atornilladas entre
sí mediante 3 bulones y con el anillo contiguo mediante 4
bulones, cada dovela. A fin de posicionar correctamente
las dovelas, se colocan dos biconos por dovela en la
unión de cada anillo.
La dovela de mayor longitud, 4,76 m en su lado exterior,
pesa 13,1 t siendo el peso del anillo completo de
Especial IRF
4
ARTÍCULO
125 toneladas. Por ultimo cabe reseñar que el anillo se
complementa con una pieza de hormigón en solera
(postizo) sobre la que se instala las vías provisionales de
trabajo.
2. Experiencias previas del Metro de Madrid
La experiencia con tuneladoras del tipo EPB comenzó en
1995, cuando se empleó una máquina LOVAT de 7,38 m
de diámetro (DRAGADOS) para realizar la ampliación de
la Línea 4 y que incluía el paso bajo el río Manzanares con
tan solo 2 m de cobertura. Desde entonces y a lo largo
de las sucesivas ampliaciones 1995-1999, 1999-2003 y
2003-2007 se han realizado mas de 140 km de túneles
por este procedimiento, alcanzándose un rendimiento
medio superior a los 600 m/mes y un record de 1.230 m
en un mes de trabajo.
Como resultado de esta experiencia a lo largo de
la última década, se ha alcanzado un alto grado de
conocimiento en este tipo de excavaciones. El análisis
de los resultados obtenidos, y principalmente de los
tiempos improductivos, permitió diseñar estas nuevas
máquinas de modo a conseguir una mayor eficiencia de
las mismas.
Es de sobra conocido que este tipo de máquinas
emplean el 50% del tiempo útil en la excavación y
colocación de anillo de revestimiento, mientras que el
otro 50% aproximadamente se emplea en reparación de
averías, cambio de herramientas de corte, extensión de
tuberías y cableado, topografía, tratamientos del terreno
desde la propia máquina, etc.
También y no menos importante, es el elevado número
de descarrilamientos de los convoyes que circulan entre
el portal de ataque y la tuneladora suministrando las
dovelas y retirando el escombro de la excavación.
La experiencia nos demuestra que el cambio de
herramientas es aun la asignatura pendiente, a pesar de
los últimos avances que permiten su cambio desde el
interior de la cabeza de corte sin necesidad de exponer
a los trabajadores a los riesgos de desprendimiento.
Las estrecheces de la cámara, andamios provisionales,
tornillos difíciles de retirar, etc. hacen esta operación lenta
y penosa.
Las averías de las tuneladoras están directamente
relacionadas, en la mayoría de los casos, con el
funcionamiento al máximo de sus capacidades
electromecánicas. Por tanto, unas especificaciones
técnicas más elevadas de lo estrictamente necesario
nos permitirán trabajar de una manera más holgada e
incrementar las producciones. Esta solución es aplicable
asimismo a todos los equipos instalados en el “back up” (a) tales como las bombas de aditivos, de mortero,
ventilación, desagües y demás equipos auxiliares.
La tercera causa de perdida de rendimiento por
paradas se refiere a los numerosos descarrilamientos
de los convoyes, como se ha indicado anteriormente.
La tendencia actual recomienda el empleo de cintas
transportadoras para el desescombro de las tierras ya
que de este modo la composición de los convoyes se
limita al transporte de dovelas, material de inyección
(mortero o gravilla) y materiales varios. Así el riesgo de
salida de las vías se minimiza notablemente.
Dado que, en el caso de los túneles del By pass Sur
no se esperaban condiciones geológicas adversas y
las máquinas fueron diseñadas para trabajar en modo
EPB, las mejoras y el estudio detallado de las tres
causas fundamentales de pérdidas de tiempo arriba
mencionadas han permitido aumentar considerablemente
la producción y reducir las paradas durante la operación.
eSpecificacioneS técnicaS de laS tuneladoraS
Las especificaciones técnicas exigidas a los fabricantes
de las tuneladoras se basaron en aquellas solicitadas
para las máquinas del Metro de Madrid, con geología
muy similar, extrapoladas a su mayor diámetro e
incrementadas en la reserva necesaria para evitar las
averías y aumentar los rendimientos.
1. Diámetro de excavación
El diámetro de excavación está condicionado por el
diámetro libre interior antes mencionado. Si añadimos
a los 13,45 m de diámetro libre el espesor de las
dovelas obtenemos 14,65 m como diámetro exterior.
Por consiguiente, considerando el espesor del “gap”(b)
definido de modo que se reduce el riesgo de atrapamiento
de la máquina y permite tomar curvas de 350 m a la
misma, obtenemos un diámetro de excavación superior
a los 15 m. La exigencia del radio mínimo fue definida a fin
de corregir posibles errores de guiado ya que el trazado
limita el radio mínimo a 500 m.
(a) Tren de carretones que arrastra la tuneladora y en el que se sitúan las instalaciones necesarias para su funcionamiento. En el caso de Tizona son 8 remolques de 2-3 pisos y 134 m de longitud total.
(b) Sobreexcavación que hace la rueda de corte sobre el diámetro exterior de la tuneladora, y que permite a ésta el deslizamiento y pequeños cabeceos para poder describir las curvas del trazado. Tiene influencia en los asientos que puede producir una tuneladora.
Especial IRF
5
ARTÍCULO
Cada fabricante propuso su propio diseño lo que motivó
diámetros de excavación diferentes. Mientras que
Herrenknecht, con un diseño de escudo de cola tipo
sandwich alcanzó los 15,08 m, la máquina japonesa
de Mitsubishi con 15,01 m cumplía con los requisitos
solicitados.
2. Empuje máximo
El empuje se consigue mediante el conjunto de cilindros
hidráulicos que reaccionan contra el último anillo de
dovelas instalado. Debe de ser capaz de cumplir los
siguientes objetivos (Figura 3):
• Evitar la deformación horizontal en el frente de
excavación,
• Compensar la presión efectiva horizontal del terreno,
Figura 3. Máximo empuje vs. Diámetro.
Figura 4. Par vs. Diámetro.
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
00 2 4 6 8 10 12 14 16
Diámetro (m)
Em
puj
e m
áx. (
t)
120.000
100.000
80.000
60.000
40.000
20.000
0
Par
(kN
m)
0,0 4,02,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0Diámetro (m)
• Compensar la presión del agua intersticial en el
terreno,
• Eliminar los asientos verticales del terreno por delante
del frente de excavación, y
• Superar el rozamiento de los escudos durante el
avance de la máquina.
Las tuneladoras empleadas en la extensión del Metro
disponían de un empuje máximo de 100.000 kN con
9,4 m de diámetro de excavación. Considerando
que la relación de áreas es de 2,5, se solicitó de
los fabricantes un empuje máximo por encima de
los 250.000 kN teniendo en cuenta que además
alguna vez se plantearon problemas debido a
un excesivo rozamiento en los escudos de las
máquinas.
Por ello, la tuneladora de Mitsubishi presenta un empuje
máximo de 285.000 kN proporcionado por
57 cilindros de 500 t cada uno. Del mismo
modo, Herrenknecht dispone de 276.390
kN de empuje máximo para lo que emplea
57 cilindros de 485 t por unidad.
3. Par máximo
El par máximo fue estimado por el Metro
de acuerdo con la formula:
donde es la cohesión del terreno (100 kPa
ó 10 T/m2) lo que supone 2175 mT si bien
finalmente se exigió 2.000 mT (Figura 4).
Para fijar las exigencias mínimas para las
máquinas de la M-30, se utilizó la relación
de volúmenes a excavar:
T=2.000 (15,1/9,4) 3 = 8.240 mT
Con este par se consigue:
• Excavar el terreno mediante el empleo
de picas y otras herramientas de corte,
• Superar el rozamiento entre el terreno
y la cabeza de corte,
• Superar los esfuerzos radiales y
tangenciales del rodamiento principal,
Especial IRF
6
ARTÍCULO
• Superar el rozamiento de los anillos de sellado, y
• Homogeneizar las tierras dentro de la cámara.
4. Otras especificaciones
De acuerdo con las características geológicas del terreno
previsto en este proyecto se solicitó de los fabricantes
una serie de requisitos que se detallan a continuación:
• Presión de trabajo en la parte inferior de la cámara de
6 bar.
• Porcentaje de apertura de la cabeza superior a 30%.
• Más de 6 sensores de presión en la cámara a fin de
controlar adecuadamente el proceso de excavación.
• 65 mm/min de penetración o lo que es lo mismo un
anillo de 2 m cada media hora.
• Tamaño máximo a pasar por el tornillo de desescombro
de 700 x 300 x 300 mm.
• Capacidad de bombeo de espumas para tratamientos
del terreno superior a los 1000 m3/h.
• Caudal de bombeo de mortero para inyección del
“gap” superior a 50 m3/h.
• Mas de 3 filas de cepillos a fin de evitar entradas de
agua.
• Contenedor de rescate con capacidad para 20
personas y 12 horas de supervivencia.
doble diSeño
El proyecto del By pass Sur se dividió en dos
contratos independientes adjudicando cada UTE la
construcción de su tuneladora, una a Herrenknecht
y la otra a Mitsubishi-Duro Felguera. Dado que
se trataba de máquinas de nuevo diseño y con el
objeto de cumplir con las estrictas especificaciones
del cliente así como con un plazo de obra muy
limitado, se plantearon soluciones novedosas por
parte de ambos fabricantes.
La elevada velocidad de excavación, consecuencia de
las exigencias de par y empuje antes comentadas,
conjuntamente con revolucionarios diseños en las
cabezas de corte y nuevos conceptos aplicados para
reducir el tiempo de instalación de los anillos permitieron
cumplir con el plazo previsto.
Las propuestas de ambos fabricantes han abierto,
en nuestra opinión, las puertas a futuros desarrollos
de grandes tuneladoras capaces de realizar la
excavación de grandes túneles con rapidez y
seguridad.
1. Diseño alemán
El diseño alemán se basa en la forma de evitar la
contrarrotación de la máquina motivada por el enorme
par aplicado en la cabeza de corte que se enfrenta a la
excavación de 181,5 m2 de frente.
El modo propuesto para evitar este efecto ha sido el de
dividir la cabeza de corte en dos coronas concéntricas
que giran en sentidos opuestos durante la excavación.
De este modo el par generado por la corona exterior
se ve parcialmente compensado por el par opuesto de
la corona interior y por consiguiente el riesgo de giro
de la tuneladora ante un bloqueo de la cabeza queda
drásticamente reducido (ver Figura 5).
El diámetro de la corona interior es de 7 m, con 38,5 m2,
dispone de 6 radios provistos de picas y cortadores de
disco y puede avanzar independientemente del resto
de la cabeza posibilitando la excavación de la parte
central de forma anticipada y a modo de gran cuele
que facilite la excavación del resto de la sección con la
corona exterior.
La corona exterior, con 143 m2, dispone de 12 radios
todos ellos provistos asimismo de útiles de corte. En
total tiene 57 cortadores dobles de 17”, 332 picas,
24 rascadores y una nariz central, siendo el porcentaje
de apertura de la cabeza de corte del 31,6%. Figura 5. Sentidos de giro inversos en las cabezas de corte.
Especial IRF
7
ARTÍCULO
El concepto de doble cabeza había sido empleado
anteriormente por Herrenknecht en otras máquinas
del tipo hidroescudo, siendo esta la primera vez que el
concepto se empleaba en una máquina del tipo EPB.
Cabe reseñar que la corona interior tiene una velocidad
de rotación mayor que la de la exterior a fin de evitar
el riesgo de endurecimiento y atasco del material de
excavación en la parte central de la cámara. Debido
éste a la baja velocidad de rotación de esta zona
conjuntamente con la evaporación del agua motivada
por las elevadas temperaturas generadas por la fricción
y la motorización.
La cabeza de corte posee motorización hidráulica, con
10 motores en su corona interior y doble engranaje en su
corona exterior con 24 y 32 motores respectivamente.
Teniendo en cuenta la pérdida de rendimiento de las
transmisiones hidráulicas, cercano al 32%, los 15,8 MW
instalados proporcionan 10.700 kW a la cabeza de corte.
Con esta potencia se
consiguen un par de 9.600
mT a 0,81 r.p.m. en la corona
exterior y 8.450 mT a
1,5 r.p.m. en la interior. El
par excepcional es de
12.527 mT y 10.890 mT
respectivamente.
La longitud del escudo es
de 11,51 m, sin articulación.
Dispone de tres filas
de cepillos en cola y el
desescombro se realiza por
medio de tres tornillos sin
fin. El primero de ellos, de
700 mm se encarga del
desescombro de la zona
central en tanto que los dos
tornillos de 1200 mm retiran
el material de excavación
desde la parte inferior de
la cámara. En cuanto al
erector de dovelas es de
diseño estándar y provisto
de mesa de vacío.
2. Diseño japonés
El diseño japonés
es sustancialmente
diferente del alemán.
Su cabeza de corte es
de una sola pieza y está
provista de 44 cortadores triples de disco de 17”,
678 picas de diferentes formatos y una nariz central,
siendo el porcentaje de apertura de la cabeza de
corte del 43%, significativamente mayor que la de
Herrenknecht (ver Foto 1).
La motorización de esta tuneladora es eléctrica de
frecuencia variable, mediante 28 motores de 358 kW,
o lo que es lo mismo 10 MW. Dado que este tipo de
motorización tiene menos perdidas en la transmisión
de su cadena cinemática, el par nominal transmitido a la
cabeza de corte es de 8.570 mT a 1,05 r.p.m. siendo su
par excepcional de 12.700 mT.
El modo de evitar la contrarrotación se consigue mediante
la orientación de los cilindros de empuje conjuntamente
con la disposición de perfiles metálicos a modo de guías
ubicados en la parte inferior del escudo. Adicionalmente
y durante la excavación se invierte el sentido de giro de
Foto 1. EPB Mitsubishi - DF.
Especial IRF
8
ARTÍCULO
la cabeza repetidamente a fin de reducir el riesgo de
rotación de la máquina.
Dado que la velocidad de rotación de este tipo de
máquinas es muy bajo, en torno a 1 r.p.m., existe un
riesgo de bloqueo en la zona central de la cámara con
los materiales de la excavación tal y como se indicó
anteriormente. La solución propuesta por Mitsubishi
a este problema ha sido la de instalar un agitador
central formado por tres brazos y con un diámetro de
5 m que, accionado hidráulicamente permite remover
el material situado en el centro de la cámara y evitar
de este modo su apelmazamiento. La velocidad de
rotación es de 2 r.p.m., suficiente para cumplir con este
cometido.
La longitud del escudo es de 12,22 m y posee articulación
activa. Dispone de cuatro filas de cepillos en el escudo de
cola y el desescombro
se efectúa mediante
un único tornillo sinfín
de 1500 mm (Figura 6).
Otra innovación
importante de
esta máquina es
el doble erector
de dovelas. Éste
ha sido construido
con dos mesas de
vacío dispuestas en
ambos extremos del
brazo del erector
de manera que la
mesa mas próxima
al alimentador sea la
que tome la dovela
para su colocación en el anillo de revestimiento. De
este modo se reduce el ciclo de montaje de anillos en
el tiempo necesario para desplazarse el erector desde
la última pieza colocada hasta el alimentador.
planificación de loS trabajoS
El plazo total de las obras era de 33 meses a partir de
julio de 2004, habiendo sido adjudicados contratos
independientes para cada uno de los tubos. Previamente
se adjudicó a los fabricantes un contrato de 6 meses
para preparar el diseño de las máquinas y confirmar la
viabilidad de las exigencias del cliente ya mencionadas
(ver Foto 2).
Las tuneladoras se fabricaron en un plazo de 12 meses en
el caso de Herrenknecht y de 17 meses en el de Mitsubishi.
Durante este tiempo se construyeron los dos pozos de
ataque, de 40 x 100 m y 30 m de profundidad, situados
en ambos extremos del trazado. La idea era la de separar
las actividades de cada una de las UTE a fin de evitar
las posibles interferencias generadas por las labores en
simultáneo desde un único pozo de ataque compartido.
Las previsiones fijaban un rendimiento de excavación de
12 m/día, o lo que es lo mismo de 360 m/mes, lo que
suponía el excavar cada uno de los tubos en el plazo de
10 meses.
El resto de los trabajos, tales como la losa intermedia
o las galerías de conexión, se realizaron de modo
simultáneo al avance, unos cientos de metros por detrás
del frente de modo a cumplir con el plazo tan limitado de
los respectivos contratos.
Figura 6. Corte longitudinal EPB Mitsubishi.
Foto 2. Tuneladora Mitsubishi en la factoría Duro Felguera en fase de pruebas.
Especial IRF
9
ARTÍCULO
deSarrollo de loS trabajoS en el túnel Sur
El contrato del túnel Sur fue adjudicado a la UTE formada
por DRAGADOS y FCC las cuales adjudicaron finalmente
la construcción de su tuneladora a MHI-DF, asociación
de Mitsubishi con la española Duro Felguera, con el
objeto de fabricar el mayor numero de componentes
en España y tomando esta ultima la responsabilidad del
diseño del “back up”.
El retraso en la construcción de la máquina se debió
por una parte al limitado número de factorías en Europa
capaces de construir los enormes componentes de
esta máquina, tales como el rodamiento principal, y por
otra parte a la falta de idoneidad de las instalaciones de
Duro Felguera para construir la mayor tuneladora del mundo” lo que motivó manipulaciones imprevistas y
alteraciones en la planificación inicial de construcción. Sin
embargo, gracias a un diseño verdaderamente acertado
y a la calidad de la fabricación se consiguió fabricar una
máquina realmente competitiva y que permitió recuperar
los retrasos acumulados.
Tras un mes de transporte desde la factoría de Barros
en Asturias hasta Madrid, se emplearon tres meses en
el montaje en el pozo de ataque, lo cual es razonable
considerando las dimensiones del equipo así como las
restricciones y limitaciones en los accesos y zona de
obras. En la Foto 3 se puede observar el pozo de ataque
junto al trazado de la M-30 de ese momento, cuyas
aglomeraciones de tráfico en horas punta afectaron el
normal desarrollo de los trabajos.
1. Excavación del Túnel Sur
La excavación del túnel Sur comenzó el 11 de abril
de 2006 utilizando
recursos provisionales de
desescombro ya que, como
se ha indicado anteriormente,
las limitaciones del pozo
de ataque no permitían
el montaje completo
de la tuneladora ni de su
cinta permanente de
retirada de escombros.
Tras 10 días de trabajo y
64 metros de túnel
excavados (lo que incluye el
paso bajo los invernaderos
que pueden observarse
en la Foto 3) fue necesario
detener las excavaciones
durante una semana a fin de continuar con el montaje
del “back up” e instalaciones auxiliares.
El avance de los primeros 240 m, como se aprecia
en la Figura 7, estuvo marcado por una parte por
la curva de aprendizaje de todo el equipo y por el
conservadurismo en el manejo de la tuneladora a fin de
analizar su comportamiento. No podemos olvidar que la
mayor EPB hasta la fecha era la utilizada en la Línea 9
del Metro de Barcelona y que tiene 12 m de diámetro.
El incremento de más del 50% en sección era motivo
más que suficiente para proceder con cautela en los
primeros metros de túnel.
El 17 de mayo fue necesaria una nueva parada de 15
días a fin de completar el montaje de las instalaciones
de desescombro permanentes, retirar la estructura de
empuje y completar la playa de vías en el pozo de
ataque. Adicionalmente se produjo una avería en la grúa
que transportaba las dovelas en el “back up” entre el
punto de descarga de los vagones y el alimentador de
dovelas lo que obligó a un rediseño completo de este
elemento por parte del fabricante.
A partir de ese momento se consiguió un avance
continuo y constante tal y como muestra la gráfica de
la Figura 7, gracias al manejo de la tuneladora por un
equipo altamente cualificado y con las experiencias
previas en las sucesivas extensiones del Metro de
Madrid o en la excavación de los túneles de Guadarrama
(28 km), entre otros. Prueba de ello son los rendimientos
finalmente obtenidos.
Como resumen de dichos resultados, las cifras finales
son las siguientes:
• Producción media diaria: 18,3 metros/día,
Foto 3. Pozo de ataque del túnel Sur.
Especial IRF
10
ARTÍCULO
• Producción media mensual: 557 metros/mes,
• Máxima producción diaria: 46 m (9 de octubre
de 2006),
• Máxima producción mensual: 791 m (octubre de 2006),
y
• Mejor producción en 30 días de trabajo: 928 m (del 22
de septiembre al 21 de octubre).
Las cifras hablan por sí solas y tras 200 días de trabajo el
cale fue la culminación de esta espectacular excavación
que, comenzando el 11 de abril, concluía el 27 de octubre
de 2006 (ver Foto 4).
Cabe mencionar que, si las condiciones de trabajo en
el portal de ataque no hubieran sido tan restrictivas en
términos de espacio y hubiera sido posible montar tanto
la tuneladora como las instalaciones permanentes
en su totalidad desde el primer día, no hubieran sido
necesarios los 21 días de parada antes indicados y los
rendimientos finales hubieran ascendido a 20,5 m/día
y se hubieran superado los 615 m/mes.
2. Lecciones aprendidas acerca de la excavación
La excavación del túnel Sur del By pass Sur del proyecto
de la Calle 30 de Madrid, confirmó nuestras mejores
expectativas acerca de los túneles de gran diámetro y más
concretamente de su ejecución. La conclusión que debe
de tenerse en cuenta para el futuro es que la velocidad
de excavación (producción) no está condicionada por el
diámetro del túnel sino por la elección de la maquinaria
adecuada en función de la geología prevista a lo largo del
trazado, por el diseño de unas instalaciones acordes a
dichas producciones y por el manejo de todo el conjunto
por un equipo de profesionales altamente cualificados en
este tipo de trabajos.
La reserva de potencia de la cabeza de corte, del
par y del empuje de la tuneladora se han mostrado
como herramientas altamente eficaces cuando las
condiciones del terreno empeoran, evitando averías y
paradas inesperadas.
El agitador central diseñado para homogeneizar el
terreno en la parte central de la cámara y evitar atascos
en la misma ha probado ser una herramienta sencilla y
muy útil en máquinas de gran diámetro.
El doble erector ha sido empleado más como
erector suplente que como había sido concebido
originalmente y se ha descrito en el apartado 2 Diseño Japonés. El tiempo empleado en la inversión de los
mandos a fin de utilizar la mesa de vacío opuesta
a la que se encuentra en uso en un momento
dado, es mayor que el tiempo ganado con el menor
recorrido del mismo para la colocación de la dovela
correspondiente. Por el contrario, el disponer de una
segunda mesa de vacío ha permitido no detener el
ciclo de montaje de un anillo por avería de la mesa,
procediendo a su reparación durante la excavación
Figura 7. Producción acumulada en túnel Sur.
Foto 4. Cale del túnel Sur.
(Metros)
(Días
Especial IRF
11
ARTÍCULO
Foto 5. Erector de dovelas.
del siguiente ciclo o durante las paradas programadas
de mantenimiento. Con ello se ha conseguido una
mejora en la producción (Foto 5).
3. Losa intermedia de rodadura
El proyecto original preveía una losa intermedia ejecutada
in situ, soportada por dos pilares centrales y apoyada en
ménsulas situadas en ambos extremos como se puede
observar en la Figura 2. Este diseño fue modificado por
otro que, con el mismo resultado final, simplificaba su
ejecución dejando diáfana la zona inferior del túnel, como
se aprecia en la Figura 1.
Un encofrado de 24 m de longitud permitió la realización
de esa misma longitud de ménsula cada día (Foto 6). La
armadura se colocó mediante otro carro independiente
de éste y situado entre esta y el “back up” de la tuneladora.
Desde la parte trasera de este último se realizaron las
perforaciones en las dovelas que permitieron dejar
las esperas de las armaduras para su conexión con el
revestimiento del túnel.
El hormigón necesario para la construcción de las
ménsulas se suministró mediante camiones que
circulaban por la losa dejando libre las dos vías inferiores
para el suministro de materiales a la tuneladora. La
distancia entre losa y ménsulas se mantuvo en unos
200 m, estando dispuesta al final de aquella una bomba
de hormigón que mediante tubería enviaba la mezcla
hasta el encofrado de ménsulas.
La siguiente operación consistía en la colocación de
apoyos de neopreno que servirían de apoyo a las
losas prefabricadas. Estas, con un ancho de 2 m,
eran transportadas desde el portal mediante tractor y
remolque y colocadas en su posición final con ayuda de
una carretilla elevadora (Foto 7).
A medida que se avanzaba con la colocación de losa
se desplazaban tanto la bomba de hormigón como
las tuberías a fin de mantener las distancias entre los
distintos tajos de trabajo y lograr realizar la totalidad
de actividades desde la losa superior. La distancia de
200 m es necesaria para permitir alcanzar al hormigón
de las ménsulas la resistencia necesaria para soportar las
cargas de la losa.
La actividad crítica que condicionaba el avance de toda
la operación era el hormigonado de las ménsulas por lo
que el rendimiento global fue de 24 metros al día de losa
terminada.
Otra de las actividades importantes fue la ejecución
de las galerías de conexión que, realizadas siguiendo
el método de Madrid, fueron excavadas a partir
de la propia losa de rodadura hasta calar al túnel
adyacente y conectar con la zona inferior, según los
casos.
Foto 6. Encofrado para la ejecución de las ménsulas. Foto 7. Instalación de la losa prefabricada.
Especial IRF
12
ARTÍCULO
concluSioneS
La utilización de las tuneladoras EPB más grandes del
mundo en el proyecto de la Calle 30 es un enorme paso
adelante en la tecnología actual de construcción de
túneles, no solamente por las elevadas prestaciones en
términos de potencia, par y empuje sino también por la
complejidad de las instalaciones y servicios necesarios
para atender las demandas generadas por un túnel de
estas dimensiones.
Con este ánimo, y basándose en las experiencias
previas del Metro de Madrid, el Ayuntamiento de
Madrid se ha enfrentado con éxito a este faraónico
proyecto que, sin duda, influirá en una circulación
mas fluida y segura al tiempo que regenera los
espacios verdes en superficie tan demandados por
los ciudadanos.
Dentro del proyecto de la Calle 30 se prevén acciones
similares en el denominado By pass Norte donde se
sustituiría el trazado actual a través de la Avda. de la
Ilustración, regulado por semáforos, por un trazado
subterráneo que permitiría asimismo conectar con la
nacional N-1 en las proximidades del anillo exterior M-40.
El cierre de la M-50 a través del Monte del Pardo es otro
de los proyectos donde este tipo de soluciones sería de
aplicación, dadas las restricciones medioambientales de
este área de especial protección.
Pero no debe de pensarse solamente en túneles
carreteros sino en soluciones multifuncionales donde
todo el espacio interior de la sección circular generada
por la excavación de la tuneladora, pueda ser utilizado
para ubicar carreteras, ferrocarriles, Metros ligeros,
emergencias y, por supuesto, conducciones de
agua, electricidad, gas
o telecomunicaciones,
que permitan nuevos
d e s a r r o l l o s d e
túneles urbanos. Si
se transfieren las
infraestructuras al
espacio subterráneo
y se regeneran los
espacios verdes en
superficie se contribuirá
a un mayor desarrollo
sostenible y una mejora
de la calidad de vida de
los ciudadanos.
Ejemplos como el
proyecto SMART en Kuala Lumpur, donde se utiliza la
parte inferior de un túnel carretero como tanque de
tormentas pudiendo incluso llenar la totalidad del túnel
en el caso de lluvias excepcionales, el proyecto del
túnel del Puerto de Miami, entre las islas de Dodge y
Watson o la propuesta subterránea alternativa al trazado
aéreo previsto en Tysons Corner para el nuevo Dulles
Corridor Metrorail Project entre Washington D.C. y el
aeropuerto de Dulles (Virginia) son nuevas soluciones
que resuelven los problemas de las zonas urbanas
densamente pobladas (Figura 8).
Los últimos desarrollos tecnológicos de las tuneladoras y
los novedosos diseños de las ingenierías, de acuerdo con
las demandas de los clientes y hechos realidad gracias
al personal cualificado de las empresas constructoras,
han abierto un futuro esperanzador en la construcción
de túneles, mas allá de las expectativas actuales más
optimistas.
bibliografía
I. Monzón, A., Pardillo, J.M., et al.. Abril 2005 “The M-30
ring road improvement project in terms of a sustainable
mobility strategy for Madrid” Revista de Obras Publicas
Madrid, España.
II. Sauer, G. December 2005 “Tunnel engineering”
Transportation and Mobility Conference. Houston,
U.S.A.
III. Melis, M., Arnaiz, M., Fernandez, E. Febrero 2006 “The
Madrid renewal inner ring Calle 30 with the largest EPB
machines” International Symposium on Underground
Excavation and Tunnelling ISUET Bangkok, Thailand. .
Figura 8. Alternativa en túnel para Tysons Corner
Especial IRF
1
ARTÍCULOTúneles con tuneladoras. Las mayores tuneladoras del mundo (II)Tunnels built with tunnelling machines. The world’s largest tunnelling machines (II)
Santiago SERRANO PÉREZ Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Director Zona Centro Acciona Infraestructuras Gerente de la UTE BY-PASS SUR TÚNEL NORTE (Acciona Infraestructuras - Ferrovial-Agromán)
RESUMEN
Se describe primero la obra del BY-PASS SUR donde se ha utilizado la tuneladora “Dulcinea” de 15,20 m de diáme-tro: trazado en planta, sección transversal y geología atravesada. A continuación, tras una reflexión sobre la evolu-ción del diámetro de las ruedas de corte de las tuneladoras, se describen las características técnicas de la máquina y se resumen los avances tecnológicos mas relevantes incorporados a “Dulcinea”, como son: la doble cabeza de corte, el sistema de avance del primer remolque, el dispositivo para el cambio de herramientas, el doble mecanizado de la corona exterior, el anillo de sostenimiento y el paso giratorio.
A continuación se exponen los rendimientos alcanzados por la tuneladora y se describen las instalaciones necesa-rias en el pozo de ataque, haciendo especial hincapié en el problema de la logística en este tipo de obras urbanas. El artículo concluye con una reflexión sobre la utilización de este tipo de máquinas en próximos proyectos de túneles de carreteras.
Palabras clave: M-30, By-Pass Sur, Tuneladora, Rueda de corte, Pozo de ataque
Especial IRF
2
ARTÍCULO
Antecedentes
La tuneladora Dulcinea, Escudo de Presión de Tierras
(EPB), fabricada en Alemania por Herrenknecht y encar-
gada por la UTE By Pass Sur Túnel Norte formada por las
empresas: Ferrovial-Agromán y Acciona Infraestructuras,
se ha utilizado para la ejecución del túnel norte del By
Pass Sur de la M-30 (calzada izquierda de la conexión del
Paseo de Santa Mª de la Cabeza con la N-III, correspon-
diente al By-Pass Sur de la M-30).
La obra se enmarca dentro del Plan de Reforma y
Gestión integral de la M-30 y más concretamente en su
tramo Sur. Los objetivos de este ambicioso plan han sido:
vertebrar la ciudad, reducir la accidentalidad, disminuir la
contaminación, ampliar las zonas verdes, recuperar el río
Manzanares y mejorar la movilidad.
1. Descripción de la Obra
El By Pass Sur de la M-30, que se trata específicamente
en otro de los artículos de este número especial, es un
tramo subterráneo constituido por dos túneles gemelos
unidireccionales.
El túnel norte (ver Figura 1) se inició en un pozo de
ataque construido en la M-30 entre el Puente del
Mediterráneo y el Puente de Vallecas. El trazado dis-
curre junto a los estribos del Puente de Los Tres Ojos
y en paralelo al viaducto existente sobre la Avenida de
la Albufera. Los dos túneles continúan paralelos a la
M-30 a una distancia de 30 m y a continuación cruzan
el Parque de Enrique Tierno Galván donde alcanzan su
máxima profundidad.
Continúan bajo el Barrio de Legazpi, Barrio de Delicias,
Paseo de la Chopera y Parque del Matadero de
Arganzuela, para terminar en un Pozo situado en el
Parque de La Arganzuela junto al Palacio de Cristal
(pozo de ataque de la tuneladora del túnel sur) donde
se conecta con el tramo siguiente del soterramiento de
la M-30.
2. Sección Transversal
La calzada tiene tres carriles de circulación de 3,5 m de
ancho cada uno, arcenes de 0,20 m y aceras de 0,90 m,
que suman 12,70 m de gálibo horizontal necesario (ver
Figura 2). El diámetro interior del túnel ejecutado y reves-
tido es de 13,45 m. El gálibo vertical libre es de 4,50 m, lo
que permite el paso de camiones por el túnel.
En la parte superior de la sección se dispone un conduc-
to de ventilación por el que
se extrae el aire contaminado
del túnel y se canaliza hacia
los pozos de ventilación.
Por la parte inferior, bajo la
losa de tráfico, circula el aire
limpio procedente del exte-
rior a través de los pozos de
ventilación, y se introduce en
la zona de circulación a través
de las rejillas de ventilación
situadas en los laterales del
túnel. Además, esta zona se
utiliza como galería de emer-
gencia, para la evacuación de
personas en caso de incen-
dio y como acceso de vehí-
culos de emergencia al lugar
del incidente.Figura 1. Esquema del trazado de los túneles norte y sur del By-Pass Sur de la M-30.
Figura 2. Sección transversal del túnel, con sistema de ventilación, calzada de circulación y galería de emergencia.
Especial IRF
3
ARTÍCULO
GeoloGíA
El terreno atravesado está constituido por materiales
terciarios de la cuenca de Madrid, principalmente arcillas,
peñuelas y yesos, con espesores variables, alcanzando
40 m de espesor al norte del trazado y 15 m al sur.
Las formaciones yesíferas se presentan siempre inter-
caladas entre las peñuelas. Estas formaciones están
recubiertas por:
• sedimentos cuaternarios de origen aluvial formados por
arenas flojas y limos blandos cuyo espesor no sobrepa-
sa los 6-7 m, y
• rellenos antrópicos de naturaleza diversa, con espe-
sores variables entre 5-6 m, excepto en la zona del
parque Enrique Tierno Galván que llega a alcanzar los
20 m de espesor.
diseño de lA tunelAdorA
1. Evolución del diámetro de la rueda de corte
En los últimos años, se ha producido una constante
evolución en la tecnología de las máquinas tunelado-
ras. Aprovechando la experiencia en la ejecución de las
obras, tanto los proyectistas como los fabricantes, se
han atrevido a aumentar progresivamente el diámetro de
las máquinas para acometer proyectos más ambiciosos,
impensables hace unos años.
La Figura 4 muestra dicha evolución en nuestro país
pasando de la tuneladora utilizada en el metro de
Valencia para vía única y diámetro 6,52 m, las tunelado-
ras utilizadas en el metro de Madrid para vía doble de
9,40 m de diámetro, las utilizadas en el metro de
Barcelona de 12,06 m de diámetro para vía doble y con
posibilidad de alojar los andenes de las estaciones en
dos niveles superpuestos. Por último, la experiencia en
estas obras ha servido para aventurarse en el diseño,
construcción y ejecución de la obra del By Pass con la
tuneladora de 15,20 m de diámetro.
2. Características Técnicas
Las principales características técnicas de esta tunelado-
ra, que ha sido la utilizada en el túnel del By Pass Sur, se
presentan en la Tabla 1.
Figura 3. Perfil geotécnico de la zona del túnel.
Figura 4. Evolución del diámetro de las ruedas de corte.
Especial IRF
4
ARTÍCULO
3. Avances tecnológicos más relevantes
En los siguientes apartados se exponen sucintamente
los principales avances tecnológicos de la tuneladora
utilizada en la obra del túnel.
3.1. Doble cabeza de Corte, una exterior y otra interior
La doble cabeza de corte, una exterior y otra interior, se
realizad con giro independiente, pudiendo girar en con-
trarrotación o sincrónicamente. El giro en contrarrota-
ción, que es el habitual, minimiza el par de giro del escu-
do durante la excavación al contrarrestarse parcialmente
los pares resultantes de ambas ruedas (ver Foto 1).
El par de trabajo nominal de la rueda de corte interior es
de 845 txm y el de la rueda exterior de 9.600 txm (rela-
cionadas entre si por el cubo del diámetro). La reducción
de par con las ruedas funcionando a contrarrotación es
de un 17%.
La cabeza de corte exterior tiene un porcentaje de
superficie abierta de un 32%, y la cabeza de corte interior
de un 30%.
Control de avance de la cabeza de corte interior: ade-
más, es posible avanzar la cabeza hasta 400 mm
sobre la cabeza de corte exterior para poder hacer un
túnel-guía que facilita la excavación del resto de la sec-
ción, hasta llegar a los 15,16 m de diámetro.
3.2. Sistema de avance del 1er remolque (Paso peregrino)
El primer remolque (en él se alojan los silos, bombas de
mortero, y los transformadores) es el mas pesado del
“back-up” (510 t), y el primero en apoyar en anillos de
reciente colocación (ver Foto 2).
Para garantizar una mayor distribución de las cargas
sobre el anillo de dovelas, se ha dispuesto un sistema
de avance de paso de peregrino, consistente en ocho
apoyos fijos y ocho móviles que se alternan a la hora de
sostener el carro. Los apoyos fijos lo sujetan durante la
colocación del anillo, cuando la máquina esta parada;
y los apoyos móviles lo hacen en fase de excavación
cuando la máquina se mueve.
Foto 1. Vista de la rueda de corte, con la doble cabeza de corte, una exterior y otra interior.
Diámetro de excavación 15,20 m
Longitud del escudo 11,50 m
Peso del Escudo 2.565 t
Empuje máximo 315.880 Kw
Velocidad máxima de penetración 65 mm/min
Potencia en la rueda de corte 14.000 Kw
Nº de gatos de empuje 57 ud
Elementos de corte: picas rastreles cortadores
3723266
Superficie abierta 32%
Longitud total (Escudo + remolques) 110 m
Peso “back-up” (a) 1.800 t
Par máximo desbloqueo 125 MN/m
Velocidad máxima rotación 2 rpm
Nº motores hidráulicos
50 en rueda exterior10 en rueda interior
Tornillos de extracción
2 ud de 1.250 mm de diámetro1 ud de 600 mm de diámetro
Capacidad de extracción de los tornillos
2.050 m3/h
Capacidad de extracción de la cinta 2.884 t/h
Capacidad de los equipos de inyección de espumas en frente y cámara
417 m3/h
Inyección de mortero en “gap” (b)12 orificios (6 bombas)
Cilindros de articulación pasiva entre escudo delantero y escudo de cola(a) Tren de carretones que arrastra la tuneladora y en el que se sitúan las
instalaciones necesarias para su funcionamiento. En el caso de Tizona son 8 remolques de 2-3 pisos y
134 m de longitud total. (b) Sobreexcavación que hace la rueda de corte sobre el diámetro
exterior de la tuneladora, y que permite a ésta el deslizamiento y pequeños cabeceos para poder describir las curvas del trazado. Tiene
influencia en los asientos que puede producir una tuneladora.Tabla 1. Características técnicas de la tuneladora empleada en el
túnel del By Pass Sur.
Especial IRF
5
ARTÍCULO
Los apoyos móviles recorren 2 m de carrera en su
movimiento longitudinal en cada fase de excavación y
una vez que ceden la carga a los apoyos fijos, vuelven
a su posición original recuperando la carrera en sentido
inverso.
3.3. Dispositivos para el cambio de herramientas
Un aspecto que adquiere relevancia con el aumento del
diámetro, es el aumento del número de herramientas de
corte, y la posible repercusión en tiempos de parada que
puede llegar a tener dicho cambio.
Se ha estudiado sobre todo el caso de la herramienta
mas pesada, los discos de corte. Son discos dobles, de
17” similares a los empleados en tuneladoras del metro
de Madrid, pero su número pasa de 20 a 66 discos (16
en la rueda de corte central y 50 en la exterior). El peso
del conjunto de disco y bulón es de 160 kg.
Por ello desde la fase de diseño se ha estudiado la
secuencia de operaciones de modo que sea una tarea
sistemática y realizable por el operario en un tiempo
razonable.
Se han dispuesto (ver Figura 5):
• 2 grúas hidráulicas con brazo articulado para el manejo
de las herramientas en el escudo.
• 2 cámaras hiperbáricas para entrada de personal a la
cámara de presión, y 3 para entrada de materiales.
• Plataformas de trabajo retráctiles, para acceso del
personal en la cámara de tierras durante el cambio de
herramientas e inspecciones.
• 2 poleas auxiliares en el interior de la cámara de
tierras, para poder manejar cómodamente las herra-
mientas.
• El diseño de enganche de los discos cortadores se
ha hecho de modo que el cambio de herramientas se
pueda realizar sin dificultades desde el interior de la
cámara de tierras.
3.4. Doble Mecanizado de la corona exterior
Uno de los aspectos esenciales del diseño de la máquina
ha sido la ubicación de los motores para conseguir el par
solicitado por el cliente (10.700 t x m en desbloqueo).
Para ello ha sido necesario disponer 60 motores hidráu-
licos; 10 en la rueda de corte interior y 50 en la exterior
(Foto 3).
Los 50 motores de la rueda de corte exterior quedan 29
dispuestos en la cara exterior de la corona y 21 en la cara
interior (Foto 4).
Figura 5. Esquema del sistema diseñado para el cambio de los discos de corte.
Foto 2. Primer remolque, con apoyos fijos y móviles.
Foto 3. Ubicación de los motores en la rueda de corte, con un total de 60 motores.
Especial IRF
6
ARTÍCULO
Resulta así una corona exterior mecanizada con doble
tallado para realizar el ataque de los piñones en las dos
caras, y que con un diámetro de 7500/6140 mm es la
pieza mas grande que se ha mecanizado en Europa.
3.5. Anillo de sostenimientoEntre el escudo y el accionamiento se ha intercalado
un anillo de sostenimiento. Es un anillo cerrado for-
mado por dos piezas, que arriostra los seis sectores
del escudo. Esta estructura reparte los esfuerzos de
empuje y de par entre el escudo y el accionamiento
(ver Foto 5).
3.6. Paso giratorioEl paso giratorio es un elemento que se encuentra entre
la rueda de corte (móvil) y el eje de la máquina (fijo); en
él están dispuestos los conductos que permiten llevar
a la rueda de corte agua, espumas o polímeros (ver
Foto 6).
Como consecuencia de la doble rueda de corte se han
dispuesto dos pasos giratorios:
• El de la rueda interior de tamaño convencional 0,44 m
de diámetro, y que permite los siguientes pasos:
- Espumas, polímeros y bentonita: 8 líneas (8 bares de
presión),
- Agua a alta presión: 2 líneas (300 bar),
- Sistema hidráulico para los sobrecortadores:
5 líneas (300 bar), y
- Sistema eléctrico: que va por otro lado.
• El de la rueda exterior que tiene 4 m de diámetro. En
realidad con este diámetro no había forma de meter
un sellado de línea de 300 bar con lo cual solo tiene
líneas de 8 bar; espumas, polímeros y bentonita (14
líneas).
rendimientos
La longitud del tramo excavado ha sido de 3.526 ml. El
tiempo transcurrido desde la puesta en marcha de la
máquina hasta el cale ha sido de 230 días, por lo que el
rendimiento ha sido de 15,33 ml/día (7,67 anillos día, ver
Figura 6).
La máxima longitud de túnel revestido ejecutado en un
día ha sido de 36 ml (18 anillos, en la segunda quincena
de mayo).
La media móvil mensual, es decir, la media alcanzada en
un periodo de 30 días seguidos ha sido de 25 ml/días
Foto 4. La corona exterior lleva 50 motores, 29 en la cara exterior y 21 en la cara interior.
Foto 5. Anillo de sostenimiento, formado por dos piezas que arriostra los sectores del escudo.
Foto 6. Paso giratorio, donde se disponen los conductos de agua, espumas o polímeros.
Especial IRF
7
ARTÍCULO
(12,5 anillos día, ver Figura 6), que suman 375 anillos y
750 ml/mes.
El tiempo invertido en el montaje de la tuneladora fue de
3 meses y en el desmontaje, 2 meses.
instAlAciones del pozo de AtAque. loGísticA
El problema fundamental de este tipo de obras en el
centro de la ciudad es la logística. El pozo de ataque de
la tuneladora tiene unas dimensiones de 95 m de largo,
30 m de ancho y 35 m de profundidad. Está ejecutado
con pilotes y arriostrado a distintos niveles con estampi-
dores de hormigón armado.
En el entorno de dicho pozo (ver Foto 7), hay que
reservar espacio para el montaje de la tuneladora, para
el acopio de dovelas, para la subestación eléctrica
necesaria, para el almacén de piezas de recambio de
la tuneladora, para el acopio de la vigas que forman
la losa de calzada y las placas alveolares de la losa
superior, para las oficinas de obra, para el foso donde
se depositan provisionalmente las tierras procedentes
de la excavación, para el depósito de agua de refrige-
ración de la tuneladora, y para los caminos de acceso
tanto para camiones de tierras, como de los transportes
especiales que suministran los prefabricados (dovelas,
vigas, losas, etc..).
El proyecto inicial contem-
plaba la instalación de las
dos tuneladoras en el mismo
pozo, con lo que el proble-
ma del espacio se duplicaba
y hacía prácticamente invia-
ble el proyecto. Se decidió
ejecutar un nuevo pozo de
ataque en la M-30 a la altura
del puente del Mediterráneo,
de forma que las dos tunela-
doras avanzaran en sentido
contrario.
Si para dimensionar las insta-
laciones utilizamos la media
móvil obtenida, es decir 12,5
anillos/día (25 ml/día), esto
supone 180 m3 de excavación
sobre perfil por metro lineal,
que esponjados son aproxi-
madamente 300 m3/ml.
Cada día se excava, por lo
tanto, 7.000 m3 de material
esponjado, lo que supone (trabajando 24 horas al día),
que tiene que salir de la obra un camión de tierras car-
gado cada 2 minutos (y entrar otro camión descargado
a la obra).
En cuanto a la dovelas, hay que colocar al día 125 dove-
las, lo que supone que cada día entran a la obra aproxi-
madamente 60 transportes especiales, a los que hay
que sumar los que suministran vigas, losas, mortero, etc.
Por todo ello, el diseño de los caminos de circulación en
la obra requiere un estudio detallado de estos movimien-
tos internos.
En la parte superior de los pozos, se sitúan dos pórticos
de 60 t para facilitar el suministro de materiales al túnel
(dovelas, mortero, vigas, losas,... etc).
La extracción de las tierras se efectúa mediante cinta
continua desde la tolva de descarga de los tornillos sin fin
de la tuneladora hasta el foso de tierras ya en el exterior
del pozo de ataque. La cinta tiene una anchura de 1,60 m
y una capacidad de 2.884 t/h.
En el fondo del pozo de ataque se dispone la playa de
vías para el movimiento de entrada y salida de los trenes,
los fosos para el mantenimiento de estos, la estructura
de reacción necesaria para el avance de los primeros
metros de túnel, los silos de mortero, y parte del acopio
necesario para las dovelas.
Figura 6. Rendimiento diario de anillos obtenido en el avance de la tuneladora.
Especial IRF
8
ARTÍCULO
conclusiones
Aprovechando la experiencia adquirida durante ocho años
en las obras de ampliación del metro de Madrid en la eje-
cución de túneles con tuneladoras de presión de tierras de
gran diámetro, los técnicos del Ayuntamiento de Madrid,
decidieron acometer los túneles del By-Pass Sur de la
M-30 con las tuneladoras más grandes jamás construidas.
El salto al vacío que suponía el aumento de diámetro de
9 a 15 m, provocó, en los inicios del proyecto, una incer-
tidumbre considerable. El efecto escala no aseguraba el
éxito de la operación.
Los detallados proyectos de implantación para resol-
ver los problemas de logística, la acertada decisión
del cambio de sentido de una de las tuneladoras eje-
cutando un segundo pozo de ataque, la calidad del
proyecto, la colaboración de la asistencia técnica de
la dirección de obra, la efectividad de los tratamientos
del terreno diseñados con la ayuda de prestigiosos
asesores geotécnicos, la rapidez y efectividad en la
toma de decisiones por parte de la dirección de obra
y la calidad, experiencia y dedicación de los equi-
pos que las empresas Ferrovial-Agromán y Acciona
Infraestructuras han aportado a la Unión Temporal de
Empresas encargada de los trabajos, han permitido
culminar la obra con unos rendimientos impensables al
principio de la obra.
Conocidos los excelentes resultados en la ejecución de
este túnel, las administraciones y proyectistas deberían
tener en cuenta esta experiencia para utilizar estas tune-
ladoras en el proyecto y ejecución de grandes túneles
carreteros de tres carriles y gálibo para paso.
BiBlioGrAfíA
I. Melis Maynar, M. “Las tuneladoras de 3 carriles de la
M-30, las mayores y más potentes jamás fabricadas”.
Revista de Obras Públicas. Abril 2005.
II. Arnaiz Ronda, M. “Túnel de la M-30 de Madrid.
Infraestructura necesaria” CAUCE 2000 nº 138, año
2007.
III. Presa Matilla, J. “La construcción de túneles con tune-
ladora”. Madrid M-30. Un Proyecto de transformación
Urbano. TURNER. .
Foto 7. Vista del pozo de ataque y de su entorno.
